高频PCB材料复介电常数测试技术研究

1、工学硕士学位论文高频 PCB 材料复介电常数测试技术研究RESEARCH ON COMPLEX PERMITTIVITY TEST TECHNOLOGY OF HIGH FREQUENCY PCB MATERIAL张永华哈尔滨工业大学2021 年 6 月国内图书分类号： TP274.2学校代码：10213UDC：621.38密级：公开工学硕士学位论文高频 PCB 材料复介电常数测试技术研究硕 士 研 究 生：张永华导师：唐文彦教授 申请学位：工学硕士学科：仪器科学与技术所在单位：自动化测试与控制系 答辩日期：2021 年 6 月 授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index：

2、U.D.C.: Dissertation for the Degree of Master in EngineeringRESEARCH ON COMPLEX PERMITTIVITY TEST TECHNOLOGY OF HIGH FREQUENCY PCB MATERIALCandidate：Zhang YonghuaSupervisor：Prof. Tang Wenyan Academic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality：Instrumentation Scienceand TechnologyAffiliation

3、：Dept. Automatic Testing and ControlDate of Defence：June, 2021Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology摘要随着信号传输向高频高速方向的迅速开展，作为信号载体的印制电路板，其 材料的电磁特性对整个电路系统的影响逐渐凸显。在微波印制板的设计和制造 中，传统的 FR-4 基材已不再适用，而以 PTFE 为代表的高频 PCB 材料的使用逐 渐增多，并广泛应用于高性能计算机、雷达通信、遥测遥感等技术领域。在高频 PCB 材料的电磁参数中，最为重要的是复介电常数，它

4、直接影响印 制板所承载信号的数据传输速率和介质损耗。因此，准确获知 PCB 材料的复介 电常数，无论是对材料厂商，亦或是工程设计人员，都有着重要的意义。本文首先对介质材料的复介电常数的测试方法进行了详细地研究，并结合高 频 PCB 材料的特点，确定了带状线法和分裂圆柱体谐振腔法配合使用的测试系 统方案。基于带状线谐振器理论模型，仿真分析了由于谐振器开路端边缘场效应引起 的有效增长量 L 的值对测试结果的影响情况，设计了带状线测试夹具，然后借 助网络分析仪、高频耦合探针等辅助设备组建了带状线测试系统，开发了自动测 试软件，并着重讨论了待测样品的制备。详细阐述了分裂圆柱体谐振腔法的理论模型，推导了

5、复介电常数计算公式。 然后基于谐振腔的模式净化理论，通过仿真的方式确定了分裂圆柱体谐振腔的腔 体尺寸，设计了谐振腔体，并结合测试需求，设计了耦合调节装置，最后借助网 络分析仪，组建了分裂圆柱体体谐振腔测试系统。通过对典型材料的实际测量，对建立的测试系统进行了标定，并讨论了误差 的主要来源，最后展望了测试系统进一步的研究方向。本文所建立的带状线测试系统，可以在常温环境下对高频 PCB 材料进行宽 频带214GHz测试，建立的分裂圆柱体谐振腔测试系统可以在 10GHz 对高 频 PCB 材料的损耗角正切进行精确测量。测试系统可以覆盖当前常用的高频 PCB 基材的测试需求，为国产高频 PCB 材料的

6、理论研究和加工制造提供了重要 的参考数据，有较好的实用价值。关键词：复介电常数；高频基材；微波测量- I -AbstractWith the rapidly development of signal transmission to the high frequency direction，the electromagnetic properties of the printed circuit board whose role is the signal carrier becomes more important in the entire circuit system. The conv

7、entional FR-4 substrate has been not applicable in the design and product of microwave PCB. High frequency dielectric substrate represented by PTFE becomes more useful，and is widely used in high performance computers、radar communications、telemetry and remote sensing technology.In the electromagnetic

8、 parameters of high frequency PCB material，the mostimportant parameter is the complex permittivity，which directly affects the data rate and dielectric loss of the signal carried by the PCB. Therefore，accurately informed the complex permittivity of the dielectric material has an important significanc

9、e， either for materials manufactures or engineers.The complex permittivity measurement method of dielectric material was studied in detail. Considering material characteristics of high-frequency PCB material，the test scheme combines the strip-line method and the split cylinder resonant method.Based

10、on strip-line resonator theory， a simulation of strip-line resonator wasmade. And by theoretical calculation， the value of Lwhich is the effectiveamount of growth caused by fringing field effects was analyzed. Strip-line test fixture was designed. With the network analyzer、high frequency coupling pr

11、obe and other related auxiliary equipment， a strip-line test system was built and the automatic test software was designed. In addition ， the preparation of sample was discussed emphatically.The split cylinder resonator method was studied in detail，and the formulas of complex dielectric constant wer

12、e deduced. Based on model purification theory， thesize of TE011 mode split cylinder resonator was optimized. And combined with test requirements， the split cylinder resonator and coupling adjustable device were designed. In addition，with the network analyze the split cylinder resonator testsystem wa

13、s built.Through the actual measurement of typical materials，the test system was- II -calibrated. The measurement errors were analyzed. The future researched direction of the test system was talked.Finally the strip-line test system has been developed for measuring the complex permittivity of high-fr

14、equency PCB material from 2GHz to 14GHz. The split cylinder resonator test system has been developed for measuring the complex permittivity of high-frequency PCB material at 10GHz，and the test result of loss tangent is very accurate.The test system can cover the test requirement of high-frequency PC

15、B substrate commonly used and provide important reference datas for theoretical research and manufacture of national high-frequency PCB material. So it is extraordinary practical.Keywords: complex permittivity，high frequency substrate，microwave measurementIII -目 录 HYPERLINK l _TOC_250060 摘要I HYPERLI

16、NK l _TOC_250059 AbstractII HYPERLINK l _TOC_250058 第 1 章 绪 论1 HYPERLINK l _TOC_250057 1.1 研究背景1 HYPERLINK l _TOC_250056 1.2 材料复介电常数测试技术研究现状2 HYPERLINK l _TOC_250055 1.2.1 网络参数法2 HYPERLINK l _TOC_250054 1.2.2 谐振法4 HYPERLINK l _TOC_250053 1.3 复介电常数对高频信号传输性能的影响8 HYPERLINK l _TOC_250052 1.4 高频 PCB 材料的种

17、类与性能特点9 HYPERLINK l _TOC_250051 1.5 当前 PCB 材料复介电常数测试主要存在的问题10 HYPERLINK l _TOC_250050 1.6 测试方法选择11 HYPERLINK l _TOC_250049 1.7 主要研究内容11 HYPERLINK l _TOC_250048 第 2 章 带状线法测试原理及仿真分析13 HYPERLINK l _TOC_250047 2.1 带状线谐振器测试理论13 HYPERLINK l _TOC_250046 2.1.1 带状线结构及其特性13 HYPERLINK l _TOC_250045 2.1.2 带状线谐振

18、器工作原理14 HYPERLINK l _TOC_250044 2.2 带状线谐振器仿真分析17 HYPERLINK l _TOC_250043 2.2.1 仿真软件 HFSS 简介17 HYPERLINK l _TOC_250042 2.2.2 带状线谐振器仿真模型18 HYPERLINK l _TOC_250041 2.2.3 仿真结果分析20 HYPERLINK l _TOC_250040 2.3 本章小结21 HYPERLINK l _TOC_250039 第 3 章 带状线测试系统设计22 HYPERLINK l _TOC_250038 3.1 带状线测试系统构成22 HYPERLI

19、NK l _TOC_250037 3.2 测试系统技术指标23 HYPERLINK l _TOC_250036 3.3 测试夹具设计23 HYPERLINK l _TOC_250035 3.4 测试软件开发24 HYPERLINK l _TOC_250034 3.4.1 软件开发平台简介24 HYPERLINK l _TOC_250033 3.4.2 测试主程序24 HYPERLINK l _TOC_250032 3.4.3 数据采集程序26 HYPERLINK l _TOC_250031 3.4.4 复介电常数计算程序27 HYPERLINK l _TOC_250030 3.5 待测样品制备

20、28IV - HYPERLINK l _TOC_250029 3.6 带状线测试系统30 HYPERLINK l _TOC_250028 3.7 本章小结31 HYPERLINK l _TOC_250027 第 4 章 分裂圆柱体谐振腔法测试原理及仿真分析32 HYPERLINK l _TOC_250026 4.1 分裂圆柱体谐振腔测试理论32 HYPERLINK l _TOC_250025 4.1.1 测试模型的建立32 HYPERLINK l _TOC_250024 4.1.2 复介电常数的求解33 HYPERLINK l _TOC_250023 4.2 圆柱体谐振腔的模式图36 HYPE

21、RLINK l _TOC_250022 4.3 TE011 模分裂圆柱体谐振腔仿真分析384.3.1 TE011 模的特点38 HYPERLINK l _TOC_250021 4.3.2 TE011 模分裂圆柱体谐振腔仿真分析39 HYPERLINK l _TOC_250020 4.4 本章小结41 HYPERLINK l _TOC_250019 第 5 章 分裂圆柱体谐振腔测试系统设计42 HYPERLINK l _TOC_250018 5.1 测试系统构成42 HYPERLINK l _TOC_250017 5.2 测试系统技术指标42 HYPERLINK l _TOC_250016 5.

22、3 分裂圆柱体谐振腔的设计43 HYPERLINK l _TOC_250015 5.4 耦合装置设计43 HYPERLINK l _TOC_250014 5.5 待测样品的制备45 HYPERLINK l _TOC_250013 5.6 测试软件设计45 HYPERLINK l _TOC_250012 5.7 分裂圆柱体谐振腔测试系统47 HYPERLINK l _TOC_250011 5.8 本章小结47 HYPERLINK l _TOC_250010 第 6 章 测试系统标定及误差来源分析48 HYPERLINK l _TOC_250009 6.1 带状线测试系统标定48 HYPERLIN

23、K l _TOC_250008 6.2 带状线测试系统误差来源53 HYPERLINK l _TOC_250007 6.3 分裂圆柱体谐振腔测试系统标定53 HYPERLINK l _TOC_250006 6.4 样品厚度对分裂圆柱体谐振腔测试结果的影响55 HYPERLINK l _TOC_250005 6.5 分裂圆柱体谐振腔测试系统误差分析56 HYPERLINK l _TOC_250004 6.6 本章小结57 HYPERLINK l _TOC_250003 结论与展望58 HYPERLINK l _TOC_250002 参考文献59 HYPERLINK l _TOC_250001 哈

24、尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限63 HYPERLINK l _TOC_250000 致谢64V -第1章 绪 论 研究背景伴随着信息化的高速开展，计算机、无线通信、数据网络等已经渗透到了我们 生活中的每一个角落。而在这一过程之中，为确保信息传输速率和容量的不断提升， 一方面要求开发更高性能化和多功能化的数据处理芯片，另一方面那么要求系统工作 频率从MHz频段向GHz频段转移，如以高性能计算机为代表的信息处理技术，其所 追求的即是信息处理的高速化、存储容量的海量化以及系统能耗的绿色化。在这一 开展方向下，作为信号载体的印制板基材，其传输效能的提升和介质损耗的降低已 成为必然的开展趋势。

25、微波频段，波导波长已同传输线和元器件的尺寸相比较，分布参数不能再忽略， 印制电路板PCB也从单纯的承载电子元器件和实现电气互联的功能，向以信号 传输为目的的角色转变，参与整个电路系统的工作。而描述PCB介质材料微波频段 下电特性的最根本参数便是其复介电常数：r r jr r (1j tan)1-1式中， r 为相对介电常数，描述了介质材料储存静电能的本领外场作用下 的极化程度， tan 为损耗角正切，表征了信号在介质材料传输中的损耗。复介电常数直接影响到信号的传输性能，尤其是对传输线的损耗起着决定性作 用，材料电磁参数选择的不当将导致信号波形的严重失真。因此，设计单位希望能 准确获知所选高频基

26、材在其设备工作频段下的介电性能指标是否满足其设计要求， 而对于PCB生产企业，一方面需要对入厂材料的介电性能进行性能评价，另一方面 也要根据高频基材的性能指标制定工艺参数。目前，在国内的高频PCB基材市场上， 中高端的产品长期被国外大企业所垄断，使得相关机构在设备的研制生产中，一方 面因垄断而采购价格高昂，并且由于缺乏成熟的测试系统和分析软件对入库材料进 行检验，即使造成批量报废也无法索赔；另一方面，一些先进装备急需的高性能介 质基材受到禁运。为顺应高频PCB基材国产化的要求，已有一些研究单位、装备生- 1 -产企业联合国内基材生产厂家开展了高频介质材料的研发工作，但在研发过程，除 了存在根底

27、材料供给和工艺技术困难外，国内高频介质基材复介电常数测试技术的 不成熟又给其材料的性能验证带来了很大的问题。因此，如何精确地测量和评价高 频PCB材料的介电性能成为其研制和生产中需要解决的重要问题。 材料复介电常数测试技术研究现状材料复介电常数的测试是一门有着悠久历史的学科，经过长期的开展和完 善，已经形成了一套测试方法多样、测试理论成熟的庞大体系。在实际测量中， 应根据被测材料的使用频段和物理特性如外观尺寸、电磁特性等合理选择测 试方法1。在微波频段，根据测试原理的差异通常分为网络参数法和谐振法两大 类如图 1-1 所示。自由空间法网络参数法传输/反射法材料介电参数 测试方法谐振法时域法谐振

28、腔法 微扰法介质谐振器法传输线谐振器法 网络参数法图 1-1 材料复介电常数测试方法分类网络参数法是将待测材料置入各类微波传输线波导、同轴线等或微波天 线中形成网络端口模型，并分别测量表征其网络特性的各个参量复反射系数、 复散射参数等，然后根据相应的物理模型并结合电磁场理论计算出材料的复介电 常数。通常，网络参数法设备制作简单，本钱较低，易于实现宽频带测量，但其 共同的缺点是对于低损耗材料损耗角正切的测量值误差相对较大2。- 2 -(1)自由空间法 自由空间法是开场测量方法中的一种，属于非接触、非破坏性测试。测试时将待测样品放置在天线远场处，由微波天线发出的 TEM 波辐射到待测样品上会 发生

29、反射和透射，通过收发天线分别采集这些反射和透射信号忽略待测样品板 边缘绕射的影响，测得待测样品板的 S 参数，然后结合自由空间法的物理模型 计算出待测材料的复介电常数如图 1-2 所示。网 络 分 析待 测 样天线天线图 1-2 自由空间法测量原理示意图1987 年，Cullen 利用菲涅尔反射定律，提出了一种自由空间双静态校准方法， 为自由空间测量材料的介电参数提供了一种有效途径3。1996 年，Munoz 从电磁 波入射的角度出发，分析了介电参数测量时的各种影响因素，并给出了自由空间 法的适用范围和测量精度4。自由空间法物理模型简单，测试频带很宽8100 GHz，并且对被测样品 的加工精度

30、要求较低，样品只需厚度均匀并有足够大的待测面积即满足测试要求， 因此这种方法最适用于脆性材料或颗粒状材料玻璃、陶瓷等的测量。但由于 该方法为开场测量，对测试环境的电磁干扰比较敏感，测量精度较低。(2)传输/反射法传输/反射法TR最早由 Niclson、Ross 等人于 1970 年提出5，它是将待测 介质材料均匀填充在标准传输线波导、同轴线等中构成双端口网络，传输线- 3 -中的电磁波遇到待测样品时会发生反射和透射伴随着能量的衰减和信号的相 移，通过网络分析仪测得此双端口的 S 参数反射系数和透射系数，并根据 NRW 模型可计算出材料的复介电常数如图 1-3 所示。波导同 轴图 1-3 传输/

31、反射法测量原理示意图传输/反射法测试原理简单，频带覆盖范围广18GHz，但测试时要求 待测样品与传输线横截面紧密配合，因此样品制作困难，由样品带来的测量误差 较大，并且由于传播常数确实定与样品厚度密切相关，该方法还存在多值性问题。 1995 年，Baek 等人利用校准技术提出了一种改良的 TR 测试方法三点测量， 解决了由于连接不匹配、样品微小位移等因素引起的错误计算问题，使 TR 法可 用于局部低损耗介质材料的测量6。(3)时域法1984 年，Auston 等人利用传输线结构首次提出了时域测量的概念，它是利用 待测样品对一个快速上升脉冲的频率响应来推算出介质材料的复介电常数7，是 网络分析仪

32、出现之前应用比较广泛的测量方法，但由于测量原理的缺陷，测试精 度不高。 谐振法谐振法是将待测材料制作成微波谐振腔、微波谐振器，或直接置于闭式或开 式腔中，通过测量谐振系统的谐振频率和品质因数，依据相关测试原理，计算出 介质材料的介电参数。谐振腔法测试广泛用于低损耗材料的测量，但由于受谐振 腔或谐振器尺寸的限制，测试往往只能在单一频点下进行，如要实现宽频带扫频 测量，可采用一腔多模的测试方法，但干扰模式的有效抑制又成为了新的技术难 点。- 4 -(1)谐振腔法谐振腔测试理论最早由 Barlow 等人提出，通过测试样品加载前后谐振频率和 品质因数的变化求得介质材料的复介电常数，常用的谐振腔包括 T

33、M0n0 模的圆盘 谐振腔和 TE01p 模的高 Q 圆柱体谐振腔。传统的谐振腔法测试时，是将待测样品材料放置在腔体底面的短路板上，由 于该区域的电场强度较弱，使得样品加载前后谐振腔的谐振频率和品质因数变化 较小，给精确计算带来困难，并且待测样品材料的几何尺寸需要同谐振腔的尺寸 严密配合，对样品的加工要求很高。改良的谐振腔法是通过在谐振腔中安装介质 小圆柱石英材料等或放置介质垫片的方法，将待测样品抬高到场强较大处进 行测量，但由于小圆柱位置不容易准确固定，而介质垫片又受到尺寸稳定性、吸 水性等因素的影响，给测试系统引入了更多的测量误差。1988 年，由 Kent 等人提出了分裂圆柱体谐振腔的理

34、论，它将传统的谐振腔 从中间截断一分为二，并将待测样品夹持在两分裂腔体的中间部位如图 1-4 所 示，通过耦合环激发腔体产生 TE01p 模谐振，最后通过样品加载前后谐振频率和 品质因数的变化计算出介质材料的复介电常数89。分裂圆柱体谐振腔法对样品 要求较低待测样品只需成分均匀、外表平坦并且尺寸能够完全覆盖谐振腔分裂 区域即可，是一种非破坏性的高精度测量方法，最常应用于低损耗材料的测量。介质柱谐振腔样品(2)微扰法图 1-4 谐振腔法衍化示意图当把待测样品制作成柱状小块，放入谐振腔体中磁场或电场最强处时，腔内的电磁场可近似视为不变微扰条件，但会引起腔体谐振频率和品质因数的微小- 5 -变化，这

35、就为材料的介电特性测量提供了一种有效的方法，微扰法见图 1-5。 最早的微扰法测试理论由 Bethe 等人提出10，后经不断完善开展，已形成了一套 成熟的测试理论，广泛应用于各类测试系统中，介电参数计算公式为：r 1 1fL f0 V 1-2r 1 ( 12QLfLV1 ) V Q0 V1-3式中， f 和 f 分别为待测样品放入谐振腔前后的谐振频率，V 和 V 分别为L0谐振腔体和待测样品的体积，是为常数由谐振模式和待测样品形状决定。Zrh图 1-5 杆状样品圆柱腔微扰法示意图2001 年，Carter 开展了谐振腔微扰理论，并分析了测量过程中各类因素对最 终测试结果的影响11，使得由测试方

36、法引入的误差降低到了缺乏 1%。微扰法理 论简单，腔体形状多变，是目前材料测试领域应用比较广泛的方法之一，但由于 必需要满足微扰条件，因此对样品的尺寸限制非常严格，而且由于是近似的场解， 最终的测量结果修正较为复杂。(3)介质谐振器法介质谐振器法是将待测样品加工成圆柱形置于金属导体板之间形成谐振单 元，然后将微波信号耦合进谐振器中激发出电磁振荡，通过测得谐振器的谐振频 率和品质因数计算出介质材料的复介电常数。这一方法最早由 Curtenty 提出，是4高介电常数 r 20 40 、低损耗材料 tan 5 10的理想测试方法12。在这一测试原理的根底上，逐渐开展出一种的新的别离介质谐振器SPDR

37、测试 方法见图 1-6，它是在屏蔽的金属腔中心安装两块彼此别离的介质圆盘构成谐 振系统，并通过测得样品置入前后谐振器谐振频率和品质因数的变化推导待测材- 6 -料的复介电常数。支撑电介质谐振器待测样品金属腔图 1-6 SPDR 模型示意图垂直截面SPDR 的工作模式为 TE01p 模，因此只有轴向的电场分量，即在待测介质材料 外表电场保持连续，介电常数计算公式为：r 1f0 fshf0 K(r , h)1-4式中， h 为待测样品厚度， f0 、 fs 分别为样品加载前后，SPDR 的谐振频率，K是 r 和 h 的函数，由 Rayleigh-Ritz 方法获得。 介质损耗角正切计算公式为：11

38、1tan (QQDR QC ) / pes1-5式中， pes 是表征样品中电场能量的因数， Q 为介质谐振器的无载品质因数，QDR 、 QC 分别是空腔时的金属损耗和介质损耗参量。 别离介质谐振器法测试精度很高，对夹具和待测样品间的空气间隙影响不敏感，最常用于薄片介质的测量，但对于各向异性材料，只能测得电场同样品底面 相平行方向上的介电参数，并且受所选腔体尺寸限制，只能进行单频点的测试。 波兰学者 J. Krupka 等人在这一领域做了大量的研究工作，并开发出了一套成熟的 测试装置，可高精度的测量各向同性介质材料的介电常数和104 101 范围内的 介质损耗角正切1314。(4)传输线谐振器

39、法传输线谐振器法是以传输线理论为根底，将待测样品制作成典型的微波传输 线装置如共面波导、带状线、微带线等，然后根据测得的该传输线谐振器的谐 振频率和品质因数，计算出材料的复介电常数。1986 年，Barry 等人诠释了带状- 7 -线谐振器法复介电常数测试的标准模型15。1988 年，由张其劭等人建立了国内最 早的带状线谐振器测试系统16。传输线谐振器测试方法夹具制作简单，对低损耗材料敏感，是业内 X 波段复 合介质基片复介电常数测试的标准方法。但由于谐振器金属导带端口由于边缘效 应引起的有效增量不容易精确计算，且样品外表平整度、金属导带外表粗糙度等 均会增加损耗，因此测试结果误差修正比较困难

40、。 复介电常数对高频信号传输性能的影响为满足微波频段下 PCB 高速、高频化的要求主要在于保证信号传输的完整 性，通常采取的技术途径包括：1采用微细导线、微小孔径等方法实现高密度 集成如 HDI 技术等，以缩短信号传输距离；2选用高频段介电性能更为优 异的介质基材。在高频电子线路中，信号的传输速度为：V k c r 1-6式中：V 为信号传输速度，c 为光速，k 为常数。从上式可以看出，基材的介 电常数越小，信号的传输速度越快，而高介电常数的介质材料更易引起信号的延迟，信号的传输延迟时间 TD 与相对介电常数的关系为： r lTpD c1-7式中： lp 为信号线长度。由上式可以看出，介质材料

41、的相对介电常数越大， 信号的传输延迟时间越长。fc r当高频信号在正负相位间快速变化通过介质层时，介质基材中的分子试 图根据电磁信号进行定向运动，进而产生大量的热量，造成传输信号的损耗，称 为介质损耗：D ktan1-8式中： k 为常数， f 为信号频率。由上式可以看出，信号的介质损耗不仅随 着信号传输频率的提高而增大，并且同介质材料的相对介电常数的平方根和损耗- 8 -角正切成正比。因此，对于低损耗材料，可以明显降低系统功耗，并能有效削弱 干扰信号的影响，提高传输信号的清晰度。由传输线理论，为保证信号传输的完整性，必须对电路板“特性阻抗进行 严格控制，对于微带传输线，其特性阻抗表达式为：0

42、Z 87 ln( h )1-9r w t式中： h 为介质层厚度， w 为导线宽度，t 为导线厚度。由上式可以看出，传 输线的特性阻抗不仅与线路的截面尺寸密切相关，并受到介质材料相对介电常数 的影响。当导线宽度和厚度一定时，为满足高速电路中高特性阻抗的要求，需要 增加介质层厚度或者降低基材的介电常数，但介质层厚度的增加势必会增大信号 层同接地层间的电容，增大功率损耗和信号间的串扰，并且“厚径比的增加， 必然会给钻孔和孔的金属化带来更多的困难。因此，必须选用介电常数更低、更 稳定的介质基材，以满足阻抗匹配的要求17。综上，介质基材的复介电常数影响着传输信号的各项性能如传输速度、介质损耗、功率容量

43、等，尤其是对高频、高速信号的影响更为突出，因此低介电常 数和低损耗角正切的介质基材的研究成为 PCB 技术的一个重要方向。 高频 PCB 材料的种类与性能特点为了保证一定的机械强度，PCB 基材多是由多种不同材料“复合而成，因 此其介电性能也是各类材料“加权和的结果：r V1 r1 V2 r 21-10tanV1 tan1 V2 tan21-11式中：V1 为有机树脂所占的体积比，V2 为增强材料所占的体积比。高频 PCB 材料种类繁多，但它们共同的特性就是其内部所填充的树脂材料的 复介电常数值都很低，因此高频印制板基材性能的好坏也主要是由其所采用的树 脂种类分子结构决定。按照树脂种类的不同，

44、目前常见的高频 PCB 材料及其- 9 -主要性能如表 1-1 所示以常规基板材料 FR-4 作比对：表 1-1 常见高频 PCB 材料及其主要性能性能PI 膜LCP 膜PPE 膜PTFEFR-4介电常数介质损耗0.011弹性模量GPa3.8/2.62.117拉伸强度MPa2411208049345从上表可以看出，相比于传统的 FR-4 材料，聚酰亚胺PI薄膜、聚苯醚树 脂PPE薄膜、聚四氟乙烯PTFE等基板材料，都有着出色的介电性能表现， 但是它们薄弱的物理特性在当前的加工工艺下仍会面临很多问题：1材质偏软， 钻孔性差；2热膨胀系数大，精细线路加工困难；3成型加工周期较长，成 本高昂18。工

45、业化量产中，制造 PCB 基材时所采用的树脂多数为热固性树脂，而热塑性 树脂基材的典型代表为 PTFE，由它所制作的 CCL，介电常数典型值为 ，为当 前微波电路中应用最广泛的基板材料。目前国内的聚四氟乙烯基材主要依赖进口， 国际市场上的主要供给商包括罗杰斯Rogers、泰康利Taconic、亚龙Arlon 等，其典型材料如表 1-2 所示：表 1-2 常见 PTFE 基材厂家型号组成介电常数介质损耗RogersRT 5880PTFE 玻纤RT 6002PTFE 陶瓷RT 6010PTFE 陶瓷TaconicTPY-5玻纤布TLY-3玻纤布ArlonAD250A填料+玻纤布AD270玻纤布1.

46、5 当前 PCB 材料复介电常数测试主要存在的问题目前国标、国军标中介质基材的复介电常数测试，行业内长期以来主要以MHz 条件下的测试方法为主，测试仪器包括 Q 表、LCR 电桥等，但随着雷达、- 10 -网络效劳器等产品工作频率的提高，原有的测试仪器已不能满足实际测试需求。 在微波频段，电子科技大学张其劭教授等主持起草了 GB/T 5597-1999“固体电介 质微波复介电常数的测试方法19和 GB/T 12636-90“微波介质基片复介电常数 带状线测试方法20两项国家标准，为国内高频介质材料复介电常数测试的先导。国际上，现行比较通用的高频 PCB 材料复介电常数测量方法，为 IPC 制定

47、的 TM-650 2.5.5.x 系列方法2122。在材料复介电常数测试系统方面，Rogers、Arlon 等高频印制板材料供给商针对自身的材料的测试需求，均进行了测试系统的自我 开发，但在商用市场上，仅有 Agilent 推出了相关测试系统，且出于技术敏感性， 其提供的配套夹具、测试软件均不完善，只能局限于单一频率点的测试，无法满 足国内高频介质基材的研发、印制板生产等方面多种频率下的测试需求。 测试方法选择通过对复介电常数测试方法的研究，对于低损耗高频 PCB 材料，为保证足够 的测量精度，本文选择带状线测试法和分裂圆柱体谐振腔测试法。分裂圆柱体谐 振腔法测试中，电场极化方向同介质材料平行

48、，适用于各向同性介质材料的测量， 并且由于测试系统的品质因数很高，损耗角正切的测量精度较高，但受到测试腔 体尺寸的限定，只能实现单频点下的测量。而对于带状线测试方法，其电场极化 方向同介质材料垂直，与微波板在实际工作时的情况相吻合，且能实现宽频带测 试，但当测试频率较高时，介质损耗角正切的测量误差较大。因此，我们选用这 两种测试方法配套使用，以满足当前各类材料的测试需求。 主要研究内容论文详细总结了介质材料复介电常数的相关测试技术，并针对高频 PCB 材料 的特性，设计了一套能满足当前多种类介质基材测试需求的测试系统，主要研究内 容包括：1文章以行业测试标准为根本依据，确定了包括带状线法和分裂

49、圆柱体谐振 腔法的测试方案，并对两种方法的测试理论进行了详细的分析；2结合实际测试需求，利用 HFSS 电磁仿真软件，对典型材料的测试过程进 行模拟分析，为实际测量提出了指导性建议；- 11 -3根据选定的测试用谐振模式，完成了带状线谐振器测试夹具和分裂圆柱体 谐振腔体的设计，并搭建了原型测试系统；4结合网络分析仪和 GPIB，利用 LabVIEW 开发工具完成了人机交互软件的 设计。5利用典型的高频 PCB 材料对测试系统进行了标定，并分析了测试系统误差 的主要来源。- 12 -第2章 带状线法测试原理及仿真分析 带状线谐振器测试理论 带状线结构及其特性带状线Strip-line是一种平面传

50、输线，由上、下两块金属接地板和中心一 条金属导带组成，中心导带一般位于上、下两块接地板的对称面，周边填充绝缘 介质。带状线通常可以看作由同轴线演变而来，如图 2-1 所示，因此内部工作中 的主模仍然是 TEM 模，其特征是电磁波沿传播方向上既无电场分量又无磁场分 量电力线由金属导带指向接地板，磁力线环绕中心导带，属于宽带传输线。 图 2-1 同轴线向带状线的演化带状线工作时，其内部传输的为非色散波型 TEM 波，因此截止波长 c ， 相速度11cvp 2-1LC0 r0r r 式中 L、C 分别为带状线单位长度上的分布电感和分布电容，c = 3108 m/s，0 r0r 为自由空间光速， r

51、1 ，为绝缘介质的相对磁导率， r 为绝缘介质的相对介电 常数。相位常数vp2f2-2式中 f 为带状线工作频率。波导波长r 20g2-3- 13 -式中 0 为自由空间波长。特性阻抗Z 12-4pcv C当中心导带很薄时，可以通过保角变换法计算出带状线单位长度的分布电容， 但得到的解中包含有复杂的特殊函数，因此在实际使用中，通过对精确解进行曲 线拟合得到带状线特性阻抗的简单计算公式23：cZ 30b r We b2-5式中We 为带状线的有效宽度，分两种情况计算We W 0W b 2-6bb Wb)2W b zhi ku quan 20210807带状线中的损耗分为三个局部，导体损耗c 、介

52、质损耗d 和金属导带的辐射损耗r ，通常情况下，中心导带的宽度远小于接地板宽度，且工作波长远大于接 地板间距，因此辐射损耗可以忽略不计。那么带状线损耗常数为：d c2-7单位 Np/m 。 带状线谐振器工作原理所谓带状线谐振器，实际上就是一段截断了的带状线，并在其传播方向上耦 合进微波信号，形成谐振回路。测试用带状线谐振器的制作，如图 2-2 所示。- 14 -tLLWb图 2-2 带状线谐振器制作模型首先保证所选择的待测复合介质基片外表光洁平整，成分均匀，内部无不正 常杂质和气孔，然后蚀刻掉其外表铜箔，按长度 L ，宽度 L 切割成方形，之后将 两片介质基片对称叠加在一起，在中间沿长度方向夹

53、持一条宽度为 w，厚度为 t 的薄金属导带，并在外侧各紧贴一块金属接地板24。在带状线谐振器的开路端，电场线会延伸到截断面之外，因此会在这个区域储存一局部能量，相当于连接了一个可以储能的电容负载25。由微波理论，一段 很短的理想开路线可等效为一zh个i 接ku地q电ua容n ，20因15此0反80演7 过来，这个电容负载也可以由一段理想的开路线 L 等效，如图 2-3 所示。图 2-3 带状线开路端边缘场效应等效图当带状线的有效长度等于半波导波长的整数倍时，产生谐振：gL 2L n2(n 1，2，3，.)2-8L 是谐振导带长度，L 是考虑到带状线谐振器两端口边缘场效应影响引起的 谐振导带的有

54、效增长量，单位 mm，n 是带状线谐振器谐振时，沿谐振导带 L 分 布的驻波的半波长个数。联合式2-3，第 n 号模式的谐振频率为：f nc n2(L L)r (n 1，2，3，.)2-9- 15 -因此介电常数计算公式：2ncr (n 1，2，3，.)2-102 fn (L L) n 值由下式确定：fnfn fn n 2-11式中 fn 是第n-1号或第n+1号模式的谐振频率，单位 Hz。由于存在 测量误差，由式2-11中计算得到的 n 值一般不为整数，按 GB 8170 中数值修 约规那么进行修约。fn L n fm L mfm m fn nL 的值可以通过计算获得：L 2-12式中 fm

55、 是第 m 号模式的谐振频率，m 是金属导带沿 L 方向放置时，沿金属 导带分布的驻波半波长个数。zhi ku quan 20210807介质损耗角正切计算公式：tan1 QUL1QC1QL(1 10A 20 ) 1QC2-13式中， QUL 为带状线谐振器的无载品质因数， QL 为带状线谐振器的有载品质 因数， QC 为带状线铜耗的品质因数， A 为带状线谐振时的插入损耗，单位 dB。 当 A 小于 -35dB 时，可近似取：tan112-14其中： 1 QLQCf2 f12-15QLfn式中， f 和 f 分别是谐振点上下半功率点频率。22QC 的计算公式：fn r QC c2-16g c

56、c- 16 -式中，c 为带状线谐振器的衰减常数。当W(b t) 时，那么：14R Z 1 2W b 1 t b 121t bc S C r 22ln2-17 b1t b(1t b)(1t b)1 1t b12式中，RS 为金属导带的外表电阻率，单位 /mm单位 。 RS 计算公式：位；ZC 为带状线特性阻抗，RS 0.00825fn2-18ZC 计算公式：CZ 301 2-19r Cf W(b t)式中， Cf 为带状线谐振器的单位长度横向边缘电容，单位 pF/mm。 Cf 计算 公式：1 2Cf ln(1111) (111) ln(1 1)22-201 t bt bt bt b考虑到金属外

57、表的氧化和粗糙性，增大了带状线谐振器的导体损耗，通常在20数据处理中，将理论计算值 QC 乘以经验修正系数 0.85。 带状线谐振器仿真分析 仿真软件 HFSS 简介HFSSHigh Frequency Structure Simulator是由美国 Ansoft 研发的一款全波 三维电磁仿真软件，其成熟的自适应网格剖分技术和矢量有限元方法，使之广泛 用于解决航天、电子、通信等领域电磁场求解的问题，是业界公认的三维电磁场 设计和分析的工业标准。用户只需创立或导入与实际系统相似的简易设计模型，准确定义求解设置， 并指定模型中各局部材料的参数，正确为模型分配边界条件和鼓励，软件便可以 自动计算输出

58、用户的设计结果26。它还可以形象地展示仿真模型中电磁场的分- 17 -布，并能利用其强大的后处理器精确地求解特性阻抗、传输系数、S 参数等。 带状线谐振器仿真模型通常来说，电磁场问题相比照较复杂，我们不可能按照同实际网络完全一致 的物理模型进行仿真分析，不然需要占用大量的内存空间和计算时间。因此，在 建立仿真模型时需要对原型系统进行分解、简化，在保证足够计算精度这里只 考察谐振频率的条件下，使得仿真模型尽量简单25。金属导带介质基片模拟空气腔同轴线如图 2-4 所示，为带状线谐振器的仿真模型图中显示了 8GHz 谐振频率下 介质基片内的磁场分布情况，主要包括介质基片、中心导带、同轴线、及模拟空

59、 气腔等，采用终端驱动模式，分别在同轴线靠近介质基片的一端设置 Lumped port 积分线对带状线谐振器进行馈电，并按照阻抗匹配的原那么，将同轴线的特性阻抗 设定为 50。同轴线同带状线谐振器开路端不直接接触，留有一段空气间隙，设 置同轴线和带状线谐振器端面均为 Perfect H 条件电场矢量与物体外表相切， 空气腔为吸收边界Radition条件，以模拟真实测量情况。(a)中心导带沿介质基片长边方向放置介质基片金属导带模拟空气腔同轴线b中心导带沿介质基片窄边方向放置- 18 -图 2-4 带状线谐振器仿真模型图在开路端，带状线谐振器有效增长量 L 值，对于相对介电常数不同的各类 材料而言

60、均不相同，且难以精确计算。因此，本文模拟实际测量情况，在 214GHz 范围内，对 L 进行仿真计算，以分析其对测量结果的影响。首先对典型 PTFE 材料 Rogers 5880相对介电常数 ，损耗角正切 进行仿真分析，按照 IPC 标准中的推荐参数，设置介质基片尺寸长宽厚为 2mm两片叠层，中心导带(沿介质基片长边方向放置)尺寸 长宽厚为 ，双端口网络传输系数 S21 的仿真结果 如图 2-5a 所示。图 2-5b 为中心导带沿介质基片窄边方向放置时 S21 的仿真图。表3-1 和表 3-2 中列出了仿真得出的谐振峰参数，同时依据理论公式2-11，可以 计算出带状线谐振器在各个谐振频率下沿中