PCB線路板材料的介電常數（Dk）或相對介電常數並不是恒定的常數 – 盡管從它的命名上像是一個常數。例如，材料的Dk會隨頻率的變化而變化。同樣，如果在同一塊材料上使用不同的Dk測試方法，也可能會測量得出不同的Dk值，即使這些測試方法都是準確無誤的。隨著線路板材料越來越多地應用於毫米波頻率，如5G以及先進輔助駕駛係統等領域，理解Dk隨頻率的變化以及哪種Dk測試方法是“合適”的是非常重要的。

 

盡管諸如IEEE和IPC等組織都有專門的委員會來探討這一問題，但目前還沒有一個標準的行業測試方法來測量毫米波頻率下線路板材料的Dk。這並不是因為缺乏測量方法
，事實上
，Chen et al.1等人發表的一篇參考論文中描述了80多種測試Dk的方法。但是
，沒有哪一種方法是理想的，每種方法都具有它的優點和不足，尤其是在30到300 GHz的頻率範圍內。

 

電路測試vs原材料測試

通常有兩大類的測試方法用於確定線路板材料的Dk或Df（損耗角正切或tanδ）：即原材料測量
，或者在由材料製成的電路進行測量。基於原材料的測試依賴於高質量可靠的測試夾具和設備，直接測試原材料可以獲得Dk和Df值。基於電路的測試通常是使用常見電路並從電路性能中提取材料參數，例如測量諧振器dezhongxinpinlvhuopinlvxiangying。yuancailiaodeceshifangfatongchanghuiyinruleceshijiajuhuoceshizhuangzhixiangguandebuquedingxing，erdianluceshifangfabaohanlaiziceshidianlushejihejiagongjishudebuquedingxing。youyuzheliangzhongfangfabutong，celiangjieguohezhunquedushuipingtongchangbuyizhi。

 

例如，由IPC定義的X波段夾緊式帶狀線測試方法，是一種原材料的測試方法，其結果就無法與相同材料的電路測試的Dk結果一致。夾緊式帶狀線原材料測試方法是將兩片待測材料（MUT）夾在一個特殊的測試夾具中來構建一個帶狀線諧振器。在待測材料（MUT）和測試夾具中的薄諧振器電路之間會有空氣
，空氣的存在會降低測量的Dk。如果在相同的線路板材料上進行電路測試，與沒有夾帶空氣，測得的Dk是不同的。對於通過原材料測試確定的Dk公差為±0.050的高頻線路板材料
，電路測試將得到約±0.075的公差。

 

線路板材料是各向異性的
，通常在三個材料軸上具有不同的Dk值。Dk值通常在x軸和y軸間差別很小，因此對於大多數高頻材料，Dk各向異性通常指在z軸和x-y平麵之間進行的Dk比較。由於材料的各向異性，對於相同的待測材料（MUT），測量得到的z軸的Dk與x-y平麵上的Dk是不同的
，盡管測試方法和測試得到的Dk的值都是“正確的”。

 

用於電路測試的電路類型也會影響被測Dk的值。通常，使用兩種類型的測試電路：諧振結構和傳輸/反射結構。諧振結構通常提供窄帶結果，而傳輸/反射測試通常是寬帶結果。使用諧振結構的方法通常更準確。

         

測試方法示例

原材料測試的一個典型示例是X波段夾緊式帶狀線方法。它已經被高頻電路板製造商使用多年，是確定線路板材料的z軸中的Dk和Df（tanδ）的可靠手段。它使用夾緊式夾具使待測材料（MUT）樣品形成鬆耦合的帶狀線諧振器。諧振器的被測品質因數（Q）為空載Q，yincidianlan，lianjieqihejiajuxiaozhunduizuizhongceliangjieguoyingxianghenxiao。futongdianlubanzaiceshizhiqianxuyaojiangsuoyoudetongboshikediao，jinceshijiezhiyuancailiaojiban。dianluyuancailiaozaiyidingdehuanjingtiaojianxia，qiegechengyidingchicunbingfangzhiyuxiezhenqidianluliangcedejiajuzhong（見圖1）。

圖1 X波段夾緊式帶狀線測試夾具側麵(a)，諧振器示意圖(b)
，及夾具實物圖(c)

 

諧振器設計是頻率2.5 GHz的半波長諧振器，因此第四個諧振頻率為10 GHz，這是常用於Dk和Df測量的諧振點。可以使用較低的諧振點和諧振頻率 – 甚至可以使用較高的第五個諧振頻率，但是因為諧波和雜散波的影響通常避免使用更高的諧振點。測量提取Dk或相對介電常數（εr）很簡單：

其中n是第幾個諧振頻點，c是自由空間中的光速，fr是諧振的中心頻率，ΔL補償耦合間隙中的電場引起的電長度延長。從測量中提取tanδ（Df）也很簡單，它是諧振峰值的3dB帶寬相關的損耗減去與諧振器電路的導體損耗（1 / Qc）。

 

圖2 寬帶夾緊式帶狀線測量60mils的待測材料（MUT），Dk = 3.48。

         

圖二顯示的是使用夾緊式帶狀線法測量60mils、Dk = 3.48的待測材料（MUT）的寬帶測試結果。

 

環形諧振器通常用作測試電路。它結構簡單
，在微帶線環的平均周長的整數倍處諧振（見圖3a）。xinhaoouhetongchangshisongouhede，yinweikuixianhehuanzhijiandesongouhekeshitamenzhijiandeouhejianxidianrongzuixiaohua。gaidianronghuisuipinlverbianhua，daozhixiezhenpinlvpianyi，shizaitiqucailiaoDk時產生誤差。諧振環的導體寬度應遠小於環的半徑-根據經驗，小於環半徑的四分之一。
 

圖3微帶環形諧振器（a）和寬帶測量（b）

 

圖3b是基於10mil厚的線路板材料的微帶環形諧振器的S21響應，其中Dk = 3.48。Dk的近似計算由下式給出

 

 

盡管是近似
，但這些公式對於確定初始Dk值很有用。使用電磁（EM）場求解器和精確的諧振器電路尺寸可以得到更精確的Dk。

 

測量Dk和Df時采用鬆耦合諧振器可最大限度地減小諧振器負載效應。使諧振峰值處的插入損耗小於20 dB可ke認ren為wei是shi鬆song耦ou合he。在zai某mou些xie情qing況kuang下xia，由you於yu耦ou合he極ji弱ruo導dao致zhi諧xie振zhen峰feng可ke能neng無wu法fa測ce量liang。這zhe通tong常chang發fa生sheng在zai較jiao薄bo厚hou度du的de諧xie振zhen電dian路lu上shang，毫hao米mi波bo應ying用yong中zhong常chang用yong較jiao薄bo的de電dian路lu材cai料liao，因yin為wei頻pin率lv越yue高gao波bo長chang越yue短duan、電路尺寸也越小。

         

毫米波測試方法

雖然有許多Dk測ce試shi方fang法fa

，但dan隻zhi有you一yi些xie適shi用yong於yu毫hao米mi波bo頻pin率lv，仍reng沒mei有you一yi種zhong被bei認ren定ding是shi行xing業ye標biao準zhun。以yi下xia兩liang種zhong方fang法fa在zai毫hao米mi波bo的de測ce試shi中zhong是shi比bi較jiao準zhun確que且qie具ju有you高gao的de可ke重zhong複fu性xing。

         

差分相位長度法

微帶線差分相位長度法已經使用了很多年。這是一種傳輸線測試方法，測量兩個僅物理長度不同的電路的相位（參見圖4）。為了避免線路板材料特性的任何變化，測試電路的設計在被測材料（MUT）上盡可能靠近在一起。這些電路是50Ω的長度不同的微帶傳輸線
，信號饋入是接地共麵波導（GCPW）形式。在毫米波頻率下，GCPW信xin號hao饋kui入ru方fang式shi非fei常chang重zhong要yao，因yin為wei饋kui入ru處chu的de設she計ji可ke能neng對dui回hui波bo損sun耗hao產chan生sheng重zhong大da影ying響xiang。還hai應ying使shi用yong端duan接jie非fei焊han接jie式shi連lian接jie器qi，一yi方fang麵mian使shi在zai不bu焊han接jie的de情qing況kuang下xia同tong軸zhou連lian接jie器qi和he測ce試shi電dian路lu之zhi間jian形xing成cheng良liang好hao的de接jie觸chu，另ling一yi方fang麵mian同tong一yi連lian接jie器qi可ke以yi用yong於yu長chang短duan兩liang條tiao不bu同tong的de電dian路lu測ce試shi，這zhe最zui大da限xian度du地di減jian少shao了le連lian接jie器qi對dui測ce量liang結jie果guo的de影ying響xiang。為wei保bao持chi一yi致zhi性xing，相xiang同tong的de連lian接jie器qi應ying始shi終zhong對dui應ying矢shi量liang網wang絡luo分fen析xi儀yi（VNA）的相同端口。比如說，如果連接器A與 VNA的端口1相連接，而連接器B與端口2相連測試較短的電路，則在測試較長的電路時也應該如此。
 

圖4 差分相位長度法中使用的長、短微帶線電路

 

長、短duan線xian電dian路lu的de相xiang位wei相xiang減jian的de同tong時shi也ye減jian掉diao了le連lian接jie器qi和he信xin號hao饋kui入ru區qu域yu的de影ying響xiang。如ru果guo兩liang個ge電dian路lu的de回hui波bo損sun耗hao都dou很hen好hao並bing且qie連lian接jie器qi具ju有you一yi致zhi的de方fang向xiang
，則ze連lian接jie器qi的de絕jue大da部bu分fen影ying響xiang都dou能neng被bei減jian小xiao到dao最zui低di。在zai毫hao米mi波bo頻pin率lv下xia使shi用yong差cha分fen相xiang位wei長chang度du法fa時shi，回hui波bo損sun耗hao在zai60 GHz以下優於15 dB，60GHz至110 GHz優於12 dB均可接受。

 

微帶差分相位長度方法的Dk提取方程是基於具有不同物理長度的電路的微帶線相位響應公式：

 

 

其中c是自由空間中的光速，f是S21相角的頻率
，ΔL是兩個電路的物理長度的差，ΔΦ是長短線電路之間的相位差。

 

測試方法包括幾個簡單的步驟：

測量長短線電路的在某一給定頻率下的S21相位角。                

使用公式確定有效Dk。                

測試電路的精確的電路尺寸，確定材料的初始Dk值並輸入EM場求解器。                

使用軟件生成模擬的有效Dk值。更改求解器中的Dk，直到同一頻率下材料的測量的有效Dk和模擬的有效Dk值相匹配。                

通過將頻率增加到毫米波並重複此過程，可以得到毫米波頻率下的確定Dk值。                

 

圖5顯示了使用微帶線差分相位長度方法測試5mil RO3003G2TM線路板材料的Dk隨頻率的變化。該曲線是使用羅傑斯公司開發的Dk計算工具所得。該數據反映了隨著頻率增加, Dk降低的趨勢。在較低頻率下
，Dk隨頻率變化較大; 然而

，從10到110 GHz的Dk隨頻率的變化很小。該曲線反映了具有低損耗和使用光滑的壓延銅的材料
，具有高損耗和/或較高銅表麵粗糙度的材料其Dk隨頻率變化關係中表現出約大的負斜率。使用這種測試方法
，還可以通過在每個頻率上長短線的S21損耗值來獲得待測材料（MUT）的電路的插入損耗（見圖6）。

圖5微帶線差分相位長度法測量的Dk與頻率的關係

 

圖6微帶線差分長度法測量插入損耗與頻率的關係

 

環形諧振器法

環形諧振器方法是另一種用於毫米波表征的方法。雖然環形諧振器通常在10 GHz以(yi)下(xia)使(shi)用(yong)，但(dan)具(ju)有(you)適(shi)當(dang)的(de)加(jia)工(gong)精(jing)度(du)，它(ta)也(ye)可(ke)以(yi)在(zai)毫(hao)米(mi)波(bo)頻(pin)率(lv)下(xia)有(you)效(xiao)使(shi)用(yong)。加(jia)工(gong)精(jing)度(du)很(hen)重(zhong)要(yao)
，因(yin)為(wei)電(dian)路(lu)尺(chi)寸(cun)和(he)尺(chi)寸(cun)公(gong)差(cha)的(de)影(ying)響(xiang)在(zai)毫(hao)米(mi)波(bo)時(shi)影(ying)響(xiang)更(geng)為(wei)突(tu)出(chu)
，任(ren)何(he)變(bian)化(hua)都(dou)會(hui)降(jiang)低(di)精(jing)度(du)。大(da)多(duo)數(shu)毫(hao)米(mi)波(bo)環(huan)形(xing)諧(xie)振(zhen)器(qi)很(hen)薄(bo)（通常為5mil）
，饋線和諧振器環之間的間隙也很小。環形諧振器的厚度、線路的鍍銅厚度、間隙尺寸的變化都會對其有影響
，從而影響諧振頻率。

 

比較使用同一線路板材料但不同鍍銅厚度的兩個電路時，具有較厚銅的電路表現出較低的Dk。同樣，兩個電路的諧振頻率也會不同，盡管它們使用相同的線路板材料和測試方法。圖7是就是這樣的一個例子，電路的最終電鍍表麵的厚度變化導致相同材料的計算得到的Dk的差異。無論表麵處理是化學鍍金（ENIG）還是其他鍍層表麵，這種影響都是類似的。
 

圖7毫米波環形諧振器測量
，鍍層是 63mil（a）和175mil（b）厚度的鍍鎳。

 

除了這些加工問題之外，導體寬度變化，蝕刻耦合間隙變化，梯形效應和基板厚度變化也會產生類似的影響。如果在用環形諧振器測試Dk時考慮到所有這些變化

，單個的環形諧振器測量可以得到正確的Dk值。但是，許多測試往往都是采用標稱電路尺寸去測試計算的Dk，因此並不一定正確。而且測試的是較低頻率


，這些效應不會像毫米波頻率那樣明顯影響Dk精度。

 

zaihaomibopinduanshiyonghuanxingxiezhenqidelingyigezhongyaobianliangshiouhejianxisuipinlvbianhua。tongchangqingkuangxia，huanxingxiezhenqishiyongduogebutongxiezhendianlaipinggude
，ouhejianxitongchangyoumingxiandesuibutongxiezhendiandepinlvchayi。yinciouhejianxidebianhuakenengshiyigezhongyaodewuchayuan。weilekefuzhegewenti，keyishiyongchafenyuanzhoudefangfa。zhezhongfangfashiyongdelianggehuanxingxiezhenqichulezhouchangbutong，jibenshixiangtongde，bingqieshibicidezhengshubei（見圖8）。

 

對於兩個環形諧振器
，在Dk測試中高階諧振點具有共同的諧振頻率。由於饋線和間隙相同，耦合間隙的影響減小 - 理論上消除 - 這使得測量得到的Dk的精度更高。Dk的計算公式如下：

 

圖8微帶差分圓周環形諧振器 圖8中的環形諧振器是微帶結構，饋線是緊耦合GCPW以yi避bi免mian開kai路lu端duan的de饋kui線xian諧xie振zhen，避bi免mian幹gan擾rao環huan形xing諧xie振zhen器qi的de諧xie振zhen峰feng值zhi。通tong常chang如ru果guo饋kui線xian是shi開kai路lu
，它ta們men將jiang具ju有you自zi己ji的de諧xie振zhen。避bi免mian這zhe種zhong情qing況kuang的de唯wei一yi方fang法fa是shi使shi饋kui線xian更geng短duan或huo使shi用yong緊jin耦ou合he的deGCPW饋線。由於差分圓周環形諧振器方法直接所得到的仍然是電路的有效Dk，因此仍然需要進行精確的電路尺寸測量並使用場求解器來得到材料Dk。

         

結論

這裏討論的毫米波測試方法都是基於電路的。還有很多其他的測試方法，如基於原材料的測試方法。但是大多數方法測試的x-y平麵的材料Dk而不是z軸（厚度）Dk。電路設計人員更多情況下使用z軸Dk，但對於某些應用中需要使用材料x-y平麵Dk值的人來說，自由空間測試法
，分離圓柱諧振器測試法和波導微擾測試法等都是x-y平麵的測試方法。

 

也有人提出使用夾緊式寬邊耦合帶狀線諧振器測試方法用於確定毫米波頻率下的線路板材料Dk。但這種方法僅對於小範圍內待測材料（MUT）最有效，並不適合大批量的測試。因此，仍然在繼續研究可用於毫米波頻率的原材料的測試方法。