PCB線路板板料的介電常數(shù)（Dk）或相對介電常數(shù)并不是永恒固定的常數(shù) – 盡管從它的起名稱上像是一個(gè)常數(shù)。例如，材料的Dk會(huì)隨頻率的變動(dòng)而變動(dòng)。一樣，假如在同一塊材料上運(yùn)用不一樣的Dk測試辦法，也有可能會(huì)勘測得出不一樣的Dk值，縱然這些個(gè)測試辦法都是正確沒有差錯(cuò)的。隨著線路板料料越來越多地應(yīng)用于毫米波頻率，如5G以及先進(jìn)匡助操縱系統(tǒng)等領(lǐng)域，了解Dk隨頻率的變動(dòng)以及哪種Dk測試辦法是“合宜”的是十分關(guān)緊的。

盡管諸如IEEE和IPC等團(tuán)體都有專門的委員會(huì)來研究討論這一問題，但到現(xiàn)在為止還沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)測試辦法來勘測毫米波頻率下線路板料料的Dk。這并不是由于匱缺勘測辦法，事情的真實(shí)情況上，Chen et al.1等人刊發(fā)的一篇參照論文中描寫了80多種測試Dk的辦法。不過，沒有哪一種辦法是理想的，每種辦法都具備它的長處和不充足，特別是在30到300 GHz的頻率范圍內(nèi)。

電路測試vs原材料測試

一般有兩大類的測試辦法用于確認(rèn)線路板料料的Dk或Df（傷耗角正切或tanδ）：即原材料勘測，還是在由材料制成的電路施行勘測。基于原材料的測試倚賴于高品質(zhì)靠得住的測試夾具和設(shè)施，直接測試原材料可以取得Dk和Df值。基于電路的測試一般是運(yùn)用常見電路并從電路性能中提出取得材料參變量，例如勘測諧振器的核心頻率或頻率響應(yīng)。原材料的測試辦法通例會(huì)引入了測試夾具或測試裝置有關(guān)的不確認(rèn)性，而電路測試辦法里面含有來自測試電路預(yù)設(shè)和加工技術(shù)的不確認(rèn)性。因?yàn)檫@兩種辦法不一樣，勘測最后結(jié)果和正確度水準(zhǔn)一般不完全一樣。

例如，由IPC定義的X波段夾緊式帶狀線測試辦法，是一種原材料的測試辦法，其最后結(jié)果就沒有辦法與相同材料的電路測試的Dk最后結(jié)果完全一樣。夾緊式帶狀線原材料測試辦法是將兩片待測材料（MUT）夾在一個(gè)特別的測試夾具中來構(gòu)建一個(gè)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(huì)有空氣，空氣的存在會(huì)減低勘測的Dk。假如在相同的線路板料料向上行電路測試，與沒有夾帶空氣，測得的Dk是不一樣的。對于經(jīng)過原材料測試確認(rèn)的Dk公差為±0.050的高頻線路板料料，電路測試將獲得約±0.075的公差。

線路板料料是各向異性的，一般在三個(gè)材料軸上具備不一樣的Dk值。Dk值一般在x軸和y軸間區(qū)別細(xì)小，因?yàn)檫@個(gè)對于大部分?jǐn)?shù)高頻材料，Dk各向異性一般指在z軸和x-y最簡單的面之間施行的Dk比較。因?yàn)椴牧系母飨虍愋裕瑢τ谙嗤拇郎y材料（MUT），勘測獲得的z軸的Dk與x-y最簡單的面上的Dk是不一樣的，盡管測試辦法和測試獲得的Dk的值都是“準(zhǔn)確的”。

用于電路測試的電路類型也會(huì)影響被測Dk的值。一般，運(yùn)用兩品類型的測試電路：諧振結(jié)構(gòu)和傳道輸送/反射結(jié)構(gòu)。諧振結(jié)構(gòu)一般供給窄帶最后結(jié)果，而傳道輸送/反射測試一般是寬帶最后結(jié)果。運(yùn)用諧振結(jié)構(gòu)的辦法一般更正確。

測試辦法舉出例子

原材料測試的一個(gè)典型舉出例子是X波段夾緊式帶狀線辦法。它已經(jīng)被高頻電路板制作商運(yùn)用積年，是確認(rèn)線路板料料的z軸中的Dk和Df（tanδ）的靠得住手眼。它運(yùn)用夾緊式夾具使待測材料（MUT）樣品形成松耦合的帶狀線諧振器。諧振器的被測質(zhì)量因子（Q）為空載Q，因?yàn)檫@個(gè)電纜，連署器和夾具校準(zhǔn)對最后勘測最后結(jié)果影響細(xì)小。覆銅電路板在測試之前需求將全部的銅箔腐刻掉，僅測試媒介原材料基板。電路原材料在一定的背景條件下，割切成一定尺寸并安放于諧振器電路兩側(cè)的夾具中（見圖1）。

圖1 X波段夾緊式帶狀線測試夾具側(cè)面(a)，諧振器概況圖(b)，及夾具實(shí)物圖(c)

諧振器預(yù)設(shè)是頻率2.5 GHz的半波長諧振器，因?yàn)檫@個(gè)第四個(gè)諧振頻率為10 GHz，這是常用于Dk和Df勘測的諧振點(diǎn)。可以運(yùn)用較低的諧振點(diǎn)配合得當(dāng)振頻率 – 甚至于可以運(yùn)用較高的第五個(gè)諧振頻率，不過由于諧波和雜散波的影響一般防止運(yùn)用更高的諧振點(diǎn)。勘測提出取得Dk或相對介電常數(shù)（εr）很簡單：

那里面n是第幾個(gè)諧振頻點(diǎn)，c是自由空間中的光速，fr是諧振的核心頻率，ΔL償還耦合空隙中的電場引動(dòng)的電長度延長。從勘測中提出取得tanδ（Df）也很簡單，它是諧振峰值的3dB帶寬有關(guān)的傷耗減去與諧振器電路的導(dǎo)體傷耗（1 / Qc）。

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

圖二顯露的是運(yùn)用夾緊式帶狀線法勘測60mils、Dk = 3.48的待測材料（MUT）的寬帶測試最后結(jié)果。

圓環(huán)諧振器一般用作測試電路。它結(jié)構(gòu)簡單，在微帶線環(huán)的均勻周長的平頭數(shù)倍處諧振（見圖3a）。信號(hào)耦合一般是松耦合的，由于饋線和環(huán)之間的松耦合可使他們之間的耦合空隙電容最小化。該電容會(huì)隨頻率而變動(dòng)，造成諧振頻率偏移，使在提出取得材料Dk時(shí)萌生誤差。諧振環(huán)的導(dǎo)體寬度應(yīng)遠(yuǎn)小于環(huán)的半徑-依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，小于環(huán)半徑的四分之一。

  圖3微帶圓環(huán)諧振器（a）和寬帶勘測（b）

圖3b是基于10mil厚的線路板料料的微帶圓環(huán)諧振器的S21響應(yīng)，那里面Dk = 3.48。Dk的近似計(jì)算由下式給出

盡管是近似，但這些個(gè)公式對于確認(rèn)起初Dk值很有用。運(yùn)用電磁（EM）場求解器和非常準(zhǔn)確的諧振器電路尺寸可以獲得更非常準(zhǔn)確的Dk。

勘測Dk和Df時(shí)認(rèn)為合適而使用松耦合諧振器可上限地減小諧振器負(fù)載效應(yīng)。使諧振峰值處的插進(jìn)去傷耗小于20 dB可覺得是松耦合。在某些事情狀況下，因?yàn)轳詈蠘O弱造成諧振峰有可能沒有辦法勘測。這一般發(fā)生在較薄厚度的諧振電路上，毫米波應(yīng)用中等用較薄的電路材料，由于頻率越高波長越短、電路尺寸也越小。

毫米波測試辦法

固然有很多Dk測試辦法，但只有一點(diǎn)適合使用于毫米波頻率，仍沒有一種被確定地認(rèn)為是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。以下兩種辦法在毫米波的測試中是比較正確且具備高的可重復(fù)性。

差分相位長度法

微帶線差分相位長度法已經(jīng)運(yùn)用了好幾年。這是一種傳道輸送線測試辦法，勘測兩個(gè)僅物理長度不一樣的電路的相位（參看圖4）。為了防止線路板料料特別的性質(zhì)的不論什么變動(dòng)，測試電路的預(yù)設(shè)在被測材料（MUT）上盡有可能接近在一塊兒。這些個(gè)電路是50Ω的長度不一樣的微帶傳道輸送線，信號(hào)饋入是接地共面波導(dǎo)（GCPW）方式。在毫米波頻率下，GCPW信號(hào)饋入形式十分關(guān)緊，由于饋入處的預(yù)設(shè)有可能對回波傷耗萌生重大影響。還應(yīng)運(yùn)用端接非燒焊式連署器，一方面使在不燒焊的事情狀況下同軸連署器和測試電路之間形成令人滿意的接觸，另一方面同一連氣兒接器可以用于參差兩條不一樣的電路測試，這上限地減損了連署器對勘測最后結(jié)果的影響。為維持完全一樣性，相同的連署器應(yīng)始末對應(yīng)向量網(wǎng)絡(luò)剖析儀（VNA）的相同端口。譬如說，假如連署器A與 VNA的端口1銜接接，而連署器B與端口2銜接測試較短的電路，則在測試較長的電路時(shí)也應(yīng)當(dāng)這么。

 圖4 差分相位長度法中運(yùn)用的長、短微帶線電路

長、短線電路的相位相減的同時(shí)也減掉了連署器和信號(hào)饋入地區(qū)范圍的影響。假如兩個(gè)電路的回波傷耗都美好況且連署用具備完全一樣的方向，則連署器的絕大多影響都能被減小到最低。在毫米波頻率下運(yùn)用差分相位長度法時(shí)，回波傷耗在60 GHz以下優(yōu)于15 dB，60GHz至110 GHz優(yōu)于12 dB均可接納。

微帶差分相位長度辦法的Dk提出取得方程是基于具備不一樣物理長度的電路的微帶線相位響應(yīng)公式：

那里面c是自由空間中的光速，f是S21相角的頻率，ΔL是兩個(gè)電路的物理長度的差，ΔΦ是參差線電路之間的相位差。

測試辦法涵蓋幾個(gè)簡單的步驟：

• 勘測參差線電路的在某一給定頻率下的S21相位角。

• 運(yùn)用公式確認(rèn)管用Dk。

• 測試電路的非常準(zhǔn)確的電路尺寸，確認(rèn)材料的起初Dk值并輸入EM場求解器。

• 運(yùn)用軟件生成摹擬的管用Dk值。更改求解器中的Dk，一直到同一頻率下材料的勘測的管用Dk和摹擬的管用Dk值相般配。

• 經(jīng)過將頻率增加到毫米波并重復(fù)此過程，可以獲得毫米波頻率下確實(shí)認(rèn)Dk值。

圖5顯露了運(yùn)用微帶線差分相位長度辦法測試5mil RO3003G2TM線路板料料的Dk隨頻率的變動(dòng)。該曲線是運(yùn)用羅杰斯企業(yè)研發(fā)的Dk計(jì)算工具所得。該數(shù)值反映了隨著頻率增加, Dk減低的發(fā)展方向。在較低頻率下，Dk隨頻率變動(dòng)較大; 不過，從10到110 GHz的Dk隨頻率的變動(dòng)細(xì)小。該曲線反映了具備低傷耗和運(yùn)用光溜的壓延銅的材料，具備高傷耗和/或較高銅外表光潔度的材料其Dk隨頻率變動(dòng)關(guān)系中表達(dá)出約大的負(fù)斜率。運(yùn)用這種測試辦法，還可以經(jīng)過在每個(gè)頻率上參差線的S21傷耗值來取得待測材料（MUT）的電路的插進(jìn)去傷耗（見圖6）。

圖5微帶線差分相位長度法勘測的Dk與頻率的關(guān)系

圖6微帶線差分長度法勘測插進(jìn)去傷耗與頻率的關(guān)系

圓環(huán)諧振器法

圓環(huán)諧振器辦法是另一種用于毫米波表征的辦法。固然圓環(huán)諧振器一般在10 GHz以下運(yùn)用，但具備合適的加工精密度，它也可以在毫米波頻率下管用運(yùn)用。加工精密度很關(guān)緊，由于電路尺寸和尺寸公差的影響在毫米波時(shí)影響更為冒尖，不論什么變動(dòng)都會(huì)減低精密度。大部分?jǐn)?shù)毫米波圓環(huán)諧振器很薄（一般為5mil），饋線配合得當(dāng)振器環(huán)之間的空隙也細(xì)小。圓環(huán)諧振器的厚度、線路的鍍銅厚度、空隙尺寸的變動(dòng)都會(huì)對其有影響，因此影響諧振頻率。

比較運(yùn)用同前線路板板料但不一樣鍍銅厚度的兩個(gè)電路時(shí)，具備較厚銅的電路表達(dá)出較低的Dk。一樣，兩個(gè)電路的諧振頻率也會(huì)不一樣，盡管他們運(yùn)用相同的線路板板料和測試辦法。圖7是是這樣的的一個(gè)例子，電路的最后電鍍外表的厚度變動(dòng)造成相同材料的計(jì)算獲得的Dk的差別。不管外表處置是化學(xué)鍍金（ENIG）仍然其它鍍層外表，這種影響都是大致相似的。

 圖7毫米波圓環(huán)諧振器勘測，鍍層是 63mil（a）和175mil（b）厚度的鍍鎳。

除開這些個(gè)加工問題以外，導(dǎo)體寬度變動(dòng)，腐刻耦合空隙變動(dòng)，梯型效應(yīng)和基板厚度變動(dòng)也會(huì)萌生大致相似的影響。假如在用圓環(huán)諧振器測試Dk時(shí)思索問題到全部這些個(gè)變動(dòng)，單個(gè)的圓環(huán)諧振器勘測可以獲得準(zhǔn)確的Dk值。不過，很多測試往往都是認(rèn)為合適而使用標(biāo)稱電路尺寸去測試計(jì)算的Dk，因?yàn)檫@個(gè)并不盡然準(zhǔn)確。并且測試的是較低頻率，這些個(gè)效應(yīng)不會(huì)像毫米波頻率那樣子表面化影響Dk精密度。

在毫米波頻帶運(yùn)用圓環(huán)諧振器的另一個(gè)關(guān)緊變量是耦合空隙隨頻率變動(dòng)。一般事情狀況下，圓環(huán)諧振器是用多個(gè)不一樣諧振點(diǎn)來評(píng)估的，耦合空隙一般有表面化的隨不一樣諧振點(diǎn)的頻率差別。因?yàn)檫@個(gè)耦合空隙的變動(dòng)有可能是一個(gè)關(guān)緊的誤差源。為了克服這個(gè)問題，可以運(yùn)用差分圓周的辦法。這種辦法運(yùn)用的兩個(gè)圓環(huán)諧振器除開周長不一樣，基本是相同的，況且是你我的平頭數(shù)倍（見圖8）。對于兩個(gè)圓環(huán)諧振器，在Dk測試中高階諧振點(diǎn)具備并肩的諧振頻率。因?yàn)轲伨€和空隙相同，耦合空隙的影響減小 - 理論上消弭 - 這要得勘測獲得的Dk的精密度更高。Dk的計(jì)算公式如下所述：

  圖8微帶差分圓周圓環(huán)諧振器

圖8中的圓環(huán)諧振器是微帶結(jié)構(gòu)，饋線是緊耦合GCPW以防止開路端的饋線諧振，防止干擾圓環(huán)諧振器的諧振峰值。一般假如饋線是開路，他們將具備自個(gè)兒的諧振。防止這種事情狀況的惟一辦法是使饋線更短或運(yùn)用緊耦合的GCPW饋線。因?yàn)椴罘謭A周圓環(huán)諧振器辦法直接所獲得的還是是電路的管用Dk，因?yàn)檫@個(gè)還是需求施行非常準(zhǔn)確的電路尺寸勘測并運(yùn)用場求解器來獲得材料Dk。

論斷

這處商議的毫米波測試辦法都是基于電路的。還有眾多其它的測試辦法，如基于原材料的測試辦法。不過大部分?jǐn)?shù)辦法測試的x-y最簡單的面的材料Dk而不是z軸（厚度）Dk。電路預(yù)設(shè)擔(dān)任職務(wù)的人更多事情狀況下運(yùn)用z軸Dk，但對于某些應(yīng)用中需求運(yùn)用材料x-y最簡單的面Dk值的人來說，自由空間測試法，離合圓柱諧振器測試法和波導(dǎo)微擾測試法等都是x-y最簡單的面的測試辦法。

也有人提出運(yùn)用夾緊式寬邊耦合帶狀線諧振器測試辦法用于確認(rèn)毫米波頻率下的線路板料料Dk。但這種辦法僅對于小范圍內(nèi)待測材料（MUT）最管用，并不舒服合大量量的測試。因?yàn)檫@個(gè)，還是在接著研討可用于毫米波頻率的原材料的測試辦法。

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