移動無線通信系統(tǒng)正朝著第五代（5G）通信技術(shù)邁進，并逐步向毫米波（mmWave）頻段發(fā)展。對于許多電路設(shè)計工程師而言，意味著要慎重考慮印刷電路板（PCB）材料的選擇，并了解它在毫米波頻率下的 5G 電路系統(tǒng)中的性能特征。這意味著許多高頻電路設(shè)計工程師，需要依靠線路板材料廠家提供的介電常數(shù)（Dk）測量值，來作為設(shè)計電路的基礎(chǔ)。但是，這些材料的 Dk 測量值可靠性如何呢？

IPC 等組織定義的標(biāo)準(zhǔn)化測試方法為測量材料 Dk 提供了行之有效的方法。實際上，IPC 有 12 種不同的方法來確定材料的 Dk 值（含導(dǎo)體或不含導(dǎo)體）。但是，這些方法存在一些變化量，導(dǎo)致某種材料計算出的 Dk 可能會發(fā)生偏差。比如線路板材料的 Dk 值通常具有各向異性，那么通過相同線路板材料的 x-y 平面確定的 Dk 與 z 軸或厚度方向確定的 Dk 是不同的。而且，線路板材料的 Dk 也與頻率相關(guān)，Dk 值隨頻率增加而降低。因此，在比較線路板材料的 Dk 值時，在相同的測試頻率和相同的材料方向或坐標(biāo)軸上進行比較是非常重要的。使用相同的 Dk 測試方法，有助于它們進行更準(zhǔn)確的對比，因為來自不同測試方法的結(jié)果可能會有所不同。

那么，哪個是正確的 Dk 值的測試方法？尤其是下一代電路的模型或設(shè)計，采用正確的 Dk 值十分關(guān)鍵。盡管測試方法具有可重復(fù)性，但相同線路板材料使用不同的測試方法結(jié)果也會有所不同。重要的是要理解為什么會發(fā)生這種情況，特別是用選定材料的 Dk 來設(shè)計和制造 24GHz 或者更高頻率的 5G 電路時更是如此。

用于確定被測材料（MUT）Dk 的測試方法包括直接測試原介質(zhì)材料的方法，即是將原材料介質(zhì)放入夾具中并用金屬導(dǎo)體將被測材料壓緊進行測試；也包括通過在某材料上加工具有鮮明特性的電路，對該電路測試來完成被測材料 Dk 的確定。基于測試夾具的 Dk 測試方法，例如 IPC 標(biāo)準(zhǔn) IPC-TM-650 2.5.5.5 Rev C 就是其中之一。該測試方法詳細介紹的夾緊式帶狀線測試方法，最大程度的減小了電路加工對材料 Dk 測試的影響，從而確定介質(zhì)原材料的 Dk。在夾緊式帶狀線測試夾具中，是將兩塊原始介質(zhì)材料夾在金屬電路層兩側(cè)，以形成帶狀線諧振器的。

盡管這種 Dk 測量方法試圖盡量消除加工過程對材料 Dk 的影響，但它仍然有一些其他的不可控性變量的影響，如在帶狀線諧振器兩側(cè)的被測材料的厚度變化。這種夾緊帶狀線的厚度是由測試夾具中間的諧振器厚度和兩側(cè)的被測材料的厚度共同構(gòu)成。形成該帶狀線諧振器的厚度變化會影響該測試夾具確定的 Dk 值（該值往往是厚度范圍的平均值）。放置在測試夾具的材料的不均勻性也可能會導(dǎo)致空氣滯留在測試夾具中，從而影響 Dk 值。因為空氣的 Dk 值約為 1，空氣的存在會降低被測材料（MUT）的 Dk，空氣越多影響越大。

為了保持一致性和準(zhǔn)確性，IPC 測試方法明確定義了測試夾具中使用的硬件類型，例如直徑 3.5 毫米的同軸電纜，N 型同軸連接器等。這種互連確保了儀器（VNA）和測試夾具在進行高頻測量時具有可重復(fù)性，但這種硬件類型也會設(shè)定一個頻率限制，不高于 12GHz。在較高的頻率下當(dāng)然仍可以使用帶狀線測試夾具方法進行 Dk 測量，但是必須對硬件進行改進，包括待測材料（MUT）要更薄，和更小直徑的同軸電纜和連接器等等。還必須明確定義硬件的性能極限，例如插入損耗，相位精度和帶寬等，以確保此類 Dk 測量在高頻率下的一致性和準(zhǔn)確性。

過程完善

基于電路的 Dk 測試方法是在待測材料（MUT）上設(shè)計某種參考電路，通過測試該電路的某些性能，從而用來確定材料在不同頻率下的 Dk。然而，在電路的加工過程中的一些變量，如微帶或接地共面波導(dǎo)(GCPW)的不同，會影響電路確定的 Dk 的準(zhǔn)確性。例如，微帶環(huán)形諧振器通常用作確定 Dk 的電路設(shè)計（請參閱 ROG 的博客，“Searching for a Standard mmWave Dk Test Method”），因為特定的 Dk 和電路尺寸（例如環(huán)半徑）對應(yīng)該材料上特定的諧振頻率。甚至可以用來確定材料的其他特性，如損耗或耗散因子（Df）。微帶環(huán)形諧振器可以在較低頻率下較準(zhǔn)確的確定 Dk，但是隨著頻率的增加準(zhǔn)確度就逐漸降低。

微帶傳輸線也可用作測試電路來測量和確定待測材料（MUT）的 Dk，它是利用微帶在不同介電材料上的傳播特性（例如相移）來確定的。但是由于在待測材料（MUT）上加工微帶線就存在諸多與制造工藝相關(guān)的變量，如導(dǎo)體的寬度、導(dǎo)體之間的間距以及介電材料的厚度等，因此最終 Dk 的精度受這些變化參數(shù)的影響。另外，沿著傳輸線傳播的電磁場部分在電介質(zhì)材料中，部分在其周圍的空氣中，因此根據(jù)傳輸線的測量結(jié)果確定 Dk 時，需要考慮空氣中的電磁場量。

對于電路設(shè)計師來說，確定線路板材料 Dk 的準(zhǔn)確、可重復(fù)的方法對毫米波頻段的研究和設(shè)計至關(guān)重要。幸運的是，對測量用電路（例如環(huán)形諧振器）的改進可以減少電路加工變化的影響，并提高在較高頻率下 Dk 的確定精度（請參見作者的 IPC 2020 演示文稿，“Measuring the Impact of Test Methods for High Frequency Circuit Materials”）。該演示文稿發(fā)布在羅杰斯官方網(wǎng)站技術(shù)支持中心主頁上：www.rogerscorp.com/techub。在微帶環(huán)形諧振器中使用邊緣耦合相比于間隙耦合可以提高 Dk 測量精度，并且使用 GCPW 饋線代替微帶可以減少基于微帶電路變化帶來的影響。

確定線路板材料 Dk 的測試方法很多，但是通過適當(dāng)?shù)臏y量方法和充分考慮，在毫米波頻率范圍內(nèi)，也可以可重復(fù)、精確的測量線路板材料的 Dk 值。

審核編輯黃宇