T-CSTM 00990-2023 毫米波频段介电常数和介质损耗角正切测试方法 准光腔法

Testmethodfordielectricconstanfrequencyrange—Quasi2023-04-07发布2023- 2 3 4 4 44符号和缩略语 4 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 7 7 7 7 8 8 8 9 2请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。a）根据发展需求，增加复介电常数的温漂测试（TCDk、TCDf-65℃~125℃)规定，补充b）细化了测试步骤，提高测试的一致性和可重复性；4毫米波频段介电常数和介质损耗角正切测试方法准光腔测试法题。使用者有责任采取适当的安全和健康措施，并保证境条件、仪器设备、样品要求、测试步骤、计算公式、本文件适用于测试片状固体材料在毫米波频段的介电常数和介质损耗下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T2036印制板电路术语GB/T2036界定的术语和定义适用于本文件。介电常数dielectricconstant规定形状电极之间填充电介质获得的电容量与相同电极之间为真空时的电容量之比。[来源：GB/T2036-1994，6.3.6]介质损耗角正切dielectricdissipationfactor对电介质施加正弦波电压时，通过介质的电流相量超前于电压相量间的相角的余角称为损耗角，对该损耗角取正切函数值，即为介质损耗角正切值，也称为损耗因数。[来源：GB/T2036-1994，6.3.7，有修改]4符号和缩略语ε：介电损耗角正切，同义词：DfTT采用变频法进行测试，准光腔谐振腔由一个球面镜和一个平面镜构成，见图1，通过测量空腔和加载样品后的谐振频率变化以及腔体品质因数Q值的变化，计算被测样品的介电常数和介质损耗角正切。测试原理见附录A。图1准光腔结构图试验环境条件如下：a)温度：23℃±2℃,试验时环境温度的波动不应超过1℃;b)湿度：50%±5%。所需仪器设备如下：a)矢量网络分析仪，频率范围：25GHz~110GHz；b)准光腔变温测试系统，见附录B；半对称结构准光腔测试频率：25GHz~110GHz；空腔品质因子：≥60000；球面镜粗糙度：Ra0.1；球面镜加工要求；R0±10μm；d)千分尺，分辨率0.001mm或更好。6样品要求如下：a)样品尺寸应当为直径50mm的圆片状样品或者50mm×50mm的正方形片状样品，厚度1mm~3mm；b)若基板为表面覆金属箔，应当用蚀刻方法去除掉所有的金属箔并清洗干净；c)样品的厚度公差优于0.02mm；d)样品应为均匀介质，表面光滑平整洁净，内部无不正常的杂质和气孔，在测试前应严格清洁和干燥9测试步骤9.1样品预处理样品按以下流程进行处理：a)根据样品属性，选择酒精、异丙醇或者蒸馏水（特殊情况可根据基板制造商要求使用指定的清洗液）作为清洗液，将样品完全浸入清洗液中超声清洗不低于10min；b)c)烘干后，样品放入干燥皿中冷却至室温。d)操作前应戴上手套或者用镊子夹取样品，请勿用手直接接触样品，请勿在样品上写字或贴标签等。9.2仪器准备矢量网络分析仪应在校准周期内进行检定，按照制造厂家给定的开机预热时间进行预热或至少开机预热30min，使仪器达到稳定。9.3样品尺寸测量使用千分尺测量样品四边中点厚度，共计4个点，取平均值并记录。操作前应戴上手套，请勿用手直接接触样品，请勿在样品上写字或者贴标签，会影响测试结果。常温测试程序如下：a)将测试设备与矢量网络分析仪连接；b)根据需求设置扫描频率，并调整屏蔽板高度；c)空腔校正，测量空腔的谐振频率和品质因数；d)将样品放置在测样品品台上，并保证样品平整地放置在样品台中央；e)样品测试，测量包含样品时准光腔的谐振频率和品质因数；f)使用自动测量读取数据软件直接计算介电常数和介质损耗角正切，并记录；g)测试不同频段的介电常数和介质损耗角正切，重复步骤9.4b）～9.4f）。高温测试程序如下：a)同9.4a）～9.4b）；b)密封测试设备；c)设置测试系统温度，开始升温，当温度达到设定温度值后，温度稳定至少15分钟；d)待温度稳定后，空腔校正，测量空腔的谐振频率和品质因数；e)设置测试系统至常温（25℃),开始降温，当测试系统达到常温后，将样品平整地放置在样品台f)重复步骤9.5b）～9.5c）；g)待温度稳定后，开始测试，测量包含样品准光腔的谐振频率和品质因数；h)使用自动测量读取数据软件直接计算介电常数和介质损耗角正切，并记录；i)测试不同温度的介电常数和介质损耗角正切，先将测试系统降温至常温状态，重复步骤9.5b）~9.5h）。9.6低温测试低温测试程序如下：a)打开测试系统的低温恒温反应浴，调成制冷模式，设置所需达到的温度，一般低温恒温反应浴温度设置为低于测试温度20℃以上，对低温恒温反应浴进行降温处理；b)同9.4a9.4bc)密封测试系统，并对测试设备适当抽真空；d)设置测试系统温度，开始降温，当温度达到设定温度值后，温度稳定至少15分钟；e)待温度稳定后，空腔校准，测量空腔的谐振频率和品质因数；f)设置测试系统至常温（25℃),开始升温，当测试设备加热至常温，将样品平整地放置在样品台g)重复步骤9.6c9.6dh)待温度稳定后，开始测试，测量包含样品准光腔的谐振频率和品质因数；i)使用自动测量读取数据软件直接计算介电常数和介质损耗角正切，并记录；j)测试不同温度的介电常数和介质损耗角正切，先将测试系统升温至常温状态，重复步骤9.6a）~9.6i）。），介电常数温度系数按公式（1）计算。介电损耗角正切温度系数按公式（2）计算。8系统误差为：1）常温系统误差：I∆ε⁄εI≤2.5%；ε2）高温/低温系统误差：I∆ε⁄εI≤2.5%；ε注意事项如下：a)定期清洁测试头、标准物、夹具；b)定期清理样品台，使用柔软的小毛刷轻拭样品台表面，切勿按压擦拭(若被测样品如有颗粒粉末灰尘，需在测试完毕后立即对样品台进行清理)；c)保持测试夹具内部环境干燥，可在清理样品台后，关闭盖子放置干燥剂，若有条件的可再充入氮气d)拆卸电缆、波导时，动作轻柔，使用专用工具拆卸；e)测试过程中应佩戴连接至设备的防静电手环；f)连接矢量网络分析仪电缆时，应使用制造供应商提供的的力矩扳手旋紧；g)高/低温测试时，被测样品不能与样品台发生反应。试验报告包括但不限于以下内容：a)对于常温测试，试验报告应当包括下列内容：1)测试环境（温度、湿度2)测试频率；3)样品厚度；4)测试频率下的介电常数和介质损耗角正切值的测试值以及平均值；5)样品预处理条件；6)试验中的异常情况或与规定程序的差异和偏差。b)对于高/低测试，试验报告应当包括下列内容：1)测试环境（温度、湿度2)测试频率；3)样品厚度；4)测试温度（T1、T25)测试温度（T1、T2下的介电常数Dk(T1)、Dk(T2)和介质损耗角正切Df(T1)、Df(T2)；6)介电常数温度系数TCDk和介质损耗角正切温度系数TCDf计算结果；7)介电常数和介质损耗角正切值的随温度变化的曲线图；8)样品预处理条件；9)试验中的异常情况或与规定程序的差异和偏差。A.1介电常数测试原理A.1.1准光腔内的场以高斯波束的形式传播，将图1中准光腔内部划分为两个区域，V1表示放入介质区域，V2表示空气区域。在V1区域，束腰位置可知为z=0，最后得到V1区域的场内见公式（A.1）和公式（A.2）：式中参数见公式（A.3）：A.1.2在V2区域，设腰束位置在z=z2处，可得V2区域内的场见公式（A.4）和公式（A.5）：式中参数见公式（A.6）：R(z)——波前曲率半径；φ——高斯波束的相位。A.1.3准光腔内的场以高斯波束的形式存在，高斯波束在两个区域的交界处满足边界条件，将分界面处的高斯波束进行参数匹配，即满足z=t时，w(t)=w(t),R1(t)=nR2(t)，带入公式（A.6），按公式（A.7）计算可得z2：z2=t………………..………（A.7）A.1.4在球面反射镜处，曲率半径匹配有R2(t+d)=R0，公式（A.7），按公式（A.8)计算：A.1.5准光腔内边界条件有球面镜处切向电场为零，在介质和空气两个区域的交界处切向电场相等且磁场连续即有公式（A.9）：A.1.6经过化简整理得公式（A.10）结果：tan[nktφ1(t)]=ntan[—kdφ2(t)+φ2(t+d)]（A.10）A.1.7通过以上分析可以得到相对介电常数计算公式，再通过实验测得被测样品的厚度t，通过矢量网络分析仪精确测得谐振参数，将结果代入公式（A.11）~公式（A.18）计算，即可得数值解出被测样品的介电常tan[nktφr(t)]=tan[—kdφD(t)]..………（A.12）……………….……..…………….（A.18）ε0——真空介电常数；c——光速，2.998×1011mm/s；w0——束腰半径；R0——球面镜的曲率半径；D——腔长，平面反射镜和球面反射镜间的距离；μ0——真空磁导率；d——样品表面和球面反射镜间的距离；w——谐振角频率；n——样品材料折射率。A.2损耗角正切测试原理A.2.1准光腔放入样品前测得空腔的品质因数为Q00，放入样品后的品质因数为Q0S则样品损耗引入的品质因数见公式（A.19……………….………..…..…（A.19）A.2.2放入样品后，准光腔内总储能按公式（A.20）计算：W=rε0IEx1I2+μ0|Hy1|2)dv+rε0IEx2I2+μ0|Hy2|2)dv}………（A.20）A.2.3样品材料再一个时间周期内的平均功率损耗见公式（A.21A.2.4根据品质因数计算公式P=wW/P，联立公式（A.21）公式，可得介质损耗正切计算公式，Q0s和Q0O都是测量值，测试时先测得空腔状态下得谐振频率和品质因数，再测量加载样品后的谐振频率和品质因数，将计算得到的相对介电常数带入损耗角正切值计算公式（A.22）~公式（A.25）后，得到