PCB材料Dk测量值的可靠性探讨

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8 g* w3 q. L# t& `移动无线通信系统正朝着第五代（5G）通信技术迈进，并逐步向毫米波（mmWave）频段发展。对于许多电路设计工程师而言，意味着要慎重考虑印刷电路板（PCB）材料的选择，并了解它在毫米波频率下的 5G 电路系统中的性能特征。这意味着许多高频电路设计工程师，需要依靠线路板材料厂家提供的介电常数（Dk）测量值，来作为设计电路的基础。但是，这些材料的 Dk 测量值可靠性如何呢？


1 P2 Q+ l: D$ |+ F3 WIPC 等组织定义的标准化测试方法为测量材料 Dk 提供了行之有效的方法。实际上，IPC 有 12 种不同的方法来确定材料的 Dk 值（含导体或不含导体）。但是，这些方法存在一些变化量，导致某种材料计算出的 Dk 可能会发生偏差。比如线路板材料的 Dk 值通常具有各向异性，那么通过相同线路板材料的 x-y 平面确定的 Dk 与 z 轴或厚度方向确定的 Dk 是不同的。而且，线路板材料的 Dk 也与频率相关，Dk 值随频率增加而降低。因此，在比较线路板材料的 Dk 值时，在相同的测试频率和相同的材料方向或坐标轴上进行比较是非常重要的。使用相同的 Dk 测试方法，有助于它们进行更准确的对比，因为来自不同测试方法的结果可能会有所不同。
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; J. \% }. w  ~+ A6 I那么，哪个是正确的 Dk 值的测试方法？尤其是下一代电路的模型或设计，采用正确的 Dk 值十分关键。尽管测试方法具有可重复性，但相同线路板材料使用不同的测试方法结果也会有所不同。重要的是要理解为什么会发生这种情况，特别是用选定材料的 Dk 来设计和制造 24GHz 或者更高频率的 5G 电路时更是如此。



用于确定被测材料（MUT）Dk 的测试方法包括直接测试原介质材料的方法，即是将原材料介质放入夹具中并用金属导体将被测材料压紧进行测试；也包括通过在某材料上加工具有鲜明特性的电路，对该电路测试来完成被测材料 Dk 的确定。基于测试夹具的 Dk 测试方法，例如 IPC 标准 IPC-TM-650 2.5.5.5 Rev C 就是其中之一。该测试方法详细介绍的夹紧式带状线测试方法，最大程度的减小了电路加工对材料 Dk 测试的影响，从而确定介质原材料的 Dk。在夹紧式带状线测试夹具中，是将两块原始介质材料夹在金属电路层两侧，以形成带状线谐振器的。
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尽管这种 Dk 测量方法试图尽量消除加工过程对材料 Dk 的影响，但它仍然有一些其他的不可控性变量的影响，如在带状线谐振器两侧的被测材料的厚度变化。这种夹紧带状线的厚度是由测试夹具中间的谐振器厚度和两侧的被测材料的厚度共同构成。形成该带状线谐振器的厚度变化会影响该测试夹具确定的 Dk 值（该值往往是厚度范围的平均值）。放置在测试夹具的材料的不均匀性也可能会导致空气滞留在测试夹具中，从而影响 Dk 值。因为空气的 Dk 值约为 1，空气的存在会降低被测材料（MUT）的 Dk，空气越多影响越大。



为了保持一致性和准确性，IPC 测试方法明确定义了测试夹具中使用的硬件类型，例如直径 3.5 毫米的同轴电缆，N 型同轴连接器等。这种互连确保了仪器（VNA）和测试夹具在进行高频测量时具有可重复性，但这种硬件类型也会设定一个频率限制，不高于 12GHz。在较高的频率下当然仍可以使用带状线测试夹具方法进行 Dk 测量，但是必须对硬件进行改进，包括待测材料（MUT）要更薄，和更小直径的同轴电缆和连接器等等。还必须明确定义硬件的性能极限，例如插入损耗，相位精度和带宽等，以确保此类 Dk 测量在高频率下的一致性和准确性。
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基于电路的 Dk 测试方法是在待测材料（MUT）上设计某种参考电路，通过测试该电路的某些性能，从而用来确定材料在不同频率下的 Dk。然而，在电路的加工过程中的一些变量，如微带或接地共面波导(GCPW)的不同，会影响电路确定的 Dk 的准确性。例如，微带环形谐振器通常用作确定 Dk 的电路设计（请参阅 ROG 的博客，“Searching for a Standard mmWave Dk Test Method”），因为特定的 Dk 和电路尺寸（例如环半径）对应该材料上特定的谐振频率。甚至可以用来确定材料的其他特性，如损耗或耗散因子（Df）。微带环形谐振器可以在较低频率下较准确的确定 Dk，但是随着频率的增加准确度就逐渐降低。



微带传输线也可用作测试电路来测量和确定待测材料（MUT）的 Dk，它是利用微带在不同介电材料上的传播特性（例如相移）来确定的。但是由于在待测材料（MUT）上加工微带线就存在诸多与制造工艺相关的变量，如导体的宽度、导体之间的间距以及介电材料的厚度等，因此最终 Dk 的精度受这些变化参数的影响。另外，沿着传输线传播的电磁场部分在电介质材料中，部分在其周围的空气中，因此根据传输线的测量结果确定 Dk 时，需要考虑空气中的电磁场量。
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对于电路设计师来说，确定线路板材料 Dk 的准确、可重复的方法对毫米波频段的研究和设计至关重要。幸运的是，对测量用电路（例如环形谐振器）的改进可以减少电路加工变化的影响，并提高在较高频率下 Dk 的确定精度（请参见作者的 IPC 2020 演示文稿，“Measuring the Impact of Test Methods for High Frequency Circuit Materials”）。在微带环形谐振器中使用边缘耦合相比于间隙耦合可以提高 Dk 测量精度，并且使用 GCPW 馈线代替微带可以减少基于微带电路变化带来的影响。
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, m, |% v: d" X. E确定线路板材料 Dk 的测试方法很多，但是通过适当的测量方法和充分考虑，在毫米波频率范围内，也可以可重复、精确的测量线路板材料的 Dk 值。
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Dk 的测试方法有很多