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PCB线路板材料的介电常数测量

2019年10月29日 文章来源:网络整理 热度:136℃ 作者:刘英

PCB线路板材料的介电常数(Dk)或相对介电常数并不是恒定的常数 – 尽管从它的命名上像是一个常数。例如,材料的Dk会随频率的变化而变化。同样,如果在同一块材料上使用不同的Dk测试方法,也可能会测量得出不同的Dk值,即使这些测试方法都是准确无误的。随着线路板材料越来越多地应用于毫米波频率,如5G以及先进辅助驾驶系统等领域,理解Dk随频率的变化以及哪种Dk测试方法是“合适”的是非常重要的。

尽管诸如IEEE和IPC等组织都有专门的委员会来探讨这一问题,但目前还没有一个标准的行业测试方法来测量毫米波频率下线路板材料的Dk。这并不是因为缺乏测量方法,事实上,Chen et al.1等人发表的一篇参考论文中描述了80多种测试Dk的方法。但是,没有哪一种方法是理想的,每种方法都具有它的优点和不足,尤其是在30到300 GHz的频率范围内。

电路测试vs原材料测试

通常有两大类的测试方法用于确定线路板材料的Dk或Df(损耗角正切或tanδ):即原材料测量,或者在由材料制成的电路进行测量。基于原材料的测试依赖于高质量可靠的测试夹具和设备,直接测试原材料可以获得Dk和Df值。基于电路的测试通常是使用常见电路并从电路性能中提取材料参数,例如测量谐振器的中心频率或频率响应。原材料的测试方法通常会引入了测试夹具或测试装置相关的不确定性,而电路测试方法包含来自测试电路设计和加工技术的不确定性。由于这两种方法不同,测量结果和准确度水平通常不一致。

例如,由IPC定义的X波段夹紧式带状线测试方法,是一种原材料的测试方法,其结果就无法与相同材料的电路测试的Dk结果一致。夹紧式带状线原材料测试方法是将两片待测材料(MUT)夹在一个特殊的测试夹具中来构建一个带状线谐振器。在待测材料(MUT)和测试夹具中的薄谐振器电路之间会有空气,空气的存在会降低测量的Dk。如果在相同的线路板材料上进行电路测试,与没有夹带空气,测得的Dk是不同的。对于通过原材料测试确定的Dk公差为±0.050的高频线路板材料,电路测试将得到约±0.075的公差。

线路板材料是各向异性的,通常在三个材料轴上具有不同的Dk值。Dk值通常在x轴和y轴间差别很小,因此对于大多数高频材料,Dk各向异性通常指在z轴和x-y平面之间进行的Dk比较。由于材料的各向异性,对于相同的待测材料(MUT),测量得到的z轴的Dk与x-y平面上的Dk是不同的,尽管测试方法和测试得到的Dk的值都是“正确的”。

用于电路测试的电路类型也会影响被测Dk的值。通常,使用两种类型的测试电路:谐振结构和传输/反射结构。谐振结构通常提供窄带结果,而传输/反射测试通常是宽带结果。使用谐振结构的方法通常更准确。

测试方法示例

原材料测试的一个典型示例是X波段夹紧式带状线方法。它已经被高频电路板制造商使用多年,是确定线路板材料的z轴中的Dk和Df(tanδ)的可靠手段。它使用夹紧式夹具使待测材料(MUT)样品形成松耦合的带状线谐振器。谐振器的被测品质因数(Q)为空载Q,因此电缆,连接器和夹具校准对最终测量结果影响很小。覆铜电路板在测试之前需要将所有的铜箔蚀刻掉,仅测试介质原材料基板。电路原材料在一定的环境条件下,切割成一定尺寸并放置于谐振器电路两侧的夹具中(见图1)。

PCB线路板材料的介电常数测量

图1 X波段夹紧式带状线测试夹具侧面(a),谐振器示意图(b),及夹具实物图(c)

谐振器设计是频率2.5 GHz的半波长谐振器,因此第四个谐振频率为10 GHz,这是常用于Dk和Df测量的谐振点。可以使用较低的谐振点和谐振频率 – 甚至可以使用较高的第五个谐振频率,但是因为谐波和杂散波的影响通常避免使用更高的谐振点。测量提取Dk或相对介电常数(εr)很简单:

其中n是第几个谐振频点,c是自由空间中的光速,fr是谐振的中心频率,ΔL补偿耦合间隙中的电场引起的电长度延长。从测量中提取tanδ(Df)也很简单,它是谐振峰值的3dB带宽相关的损耗减去与谐振器电路的导体损耗(1 / Qc)。

PCB线路板材料的介电常数测量

PCB线路板材料的介电常数测量

图2 宽带夹紧式带状线测量60mils的待测材料(MUT),Dk = 3.48

图2显示的是使用夹紧式带状线法测量60mils、Dk = 3.48的待测材料(MUT)的宽带测试结果。

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