【经验】测量电路材料中的Dk温度变化，有助于获得和评估温度升高条件下的一些材料性能

电路材料的温度特性参数可以让我们深入了解工作环境的温度变化如何影响毫米波和高速数字（HSD）电路性能。

材料工作温度是一个常常被忽视的电路材料参数。然而，电路板内外的热源造成的工作温度升高可能导致电路性能发生变化，特别是在毫米波频率及高速电路中。通过研究电路材料与温度相关的关键材料参数，如介电常数的热系数（TCDk）和插入损耗的温度系数（TCIL），可以更好地了解高频电路材料与温度相关的性能。将这些参数与其他温度相关的材料参数进行比较，可帮助选择工作环境温度高的应用中所需的电路材料（包括满足缩减尺寸、重量和功率以及成本（SWaP-C）预期要求）。

电路材料的典型特征均是在+25°C左右的室温（RT）条件下表征，但它们所构成的电路可能会经历高得多的工作温度。由于毫米波电路尺寸小，所以工作温度升高会导致机械特性和电气性能的变化。越来越多的毫米波电路将安装应用于汽车雷达和安全系统以及第五代（5G）蜂窝无线通信网络中，而这些毫米波电路的最终性能，包括热性能都将取决于电路材料的选择和考虑。

由于高温会导致电路材料的电气和机械性能发生变化，所以有多种参数用于描述高温对电路材料的影响。热膨胀系数（CTE）可用来描述温度改变而导致的物理尺寸变化，而热导率则用于描述电路材料的热流特性。

其他与温度相关的电路材料参数均基于介电常数（Dk）和损耗因子（Df）等关键材料参数随温度的测量值的数据，从而推算出电路材料及其电路在高温会发生怎样的变化。Dk是指相对真空中距离相同的两个导体存储的电磁（EM）能量而言，Dk也常用于计算机建模和预测传输线和其他电路结构的阻抗。根据电路材料的不同，Dk在工作温度升高时可能会发生显著变化，所以了解电路材料的Dk是如何受温度影响的变得非常重要。介电常数温度系数（TCDk）已成为一个普遍的电路材料参数，通过它可以了解材料的Dk是如何对高温做出反应的。

理想情况下，Dk (ΔDk)无变化或ΔDk = 0是大多数高频电路材料的目标，尽管这几乎很少能实现。这种理想材料相应的TCDk等于0ppm/°C，这说明Dk随温度不会发生变化。而现实中，用于电路的介质材料的Dk均会发生不程度的变化。更实际的情况是，50ppm/°C或更小的TCDk被认为较低且可以实现的特性，这表示电路材料的Dk随温度发生的变化极小或ΔDk值非常低。

电路材料的介质损耗或Df在温度升高时也会发生变化，与温度相关的材料参数—损耗因子温度系数（TCDf）也可用来追踪具体温度和频率下所发生的变化。理想TCDf值应为0 ppm/°C，在工作温度范围内变化最小。

由于难以准确测量随着温度变化的TCDf，所以插入损耗是一个能更全面地反映具体电路材料上无源电路的电磁能量损耗的电路参数。插入损耗的温度系数（TCIL）也是一个温度参数，表征电路的插入损耗是由于工作温度的变化而发生的变化。

1，测试方法

通过在某种加热装置上安装试验电路来控制电路的工作温度，可准确测量TCDk和TCIL等电路的温度参数。微带线差分相位长度法是一种准确测量毫米波频率（如77 GHz）的这类温度特性的方法。试验时，可在室温、+65°C和+125°C等不同的条件下测量微带传输线的相位信息。

测试中，通过如热成像仪和温度传感器等设备对这不同温度环境进行精确控制。这些被测的微带线除长度以外，其他参数都是相同的；如介质材料、基板厚度以及铜箔厚度等均相同。电路发生温度变化时，传输线的相位会发生变化。在毫米波频率条件下，可以选用如5 mil厚度、1/2oz的基板材料，进行不同材料的TCDk和TCIL等参数的比较。

通过测试微带线电路在77 GHz频段、不同工作温度下的幅度和相位数据，可以获得相应的TCDk和TCIL的数据。相位信息可用于计算材料的TCDk，而幅度信息可用于获得材料的TCIL性能。

2，DK随温度变化

为了更好地了解罗杰斯公司RO3003G2™层压板的温度性能，可利用微带线差分相位长度法来表征电路TCDk和TCIL特性。RO3003G2材料是基于聚四氟乙烯（PTFE）和陶瓷球形微粒填料的电路层压板，确保了各个方向上的Dk一致性。特别是针对毫米波频段的性能优化，例如用于汽车毫米波雷达的77/79 GHz，进一步降低了材料的损耗，且确保了材料在高温下的最小的Dk变化特性。

如前面所述，基于5mil厚度层压板的电路，利用微带线差分相位长度的方法，测试了室温、+65°C和+125°C等不同温度条件下的电路特性，比较由此获得的随温度变化的TCDk和 ΔDk，及TCIL和ΔIL。同时，也利用相同的测试条件和方法获得了5 mil厚度的基于聚苯醚（PPE）树脂体系的竞品材料的TCDk和TCIL。对比了在77 GHz条件下的5 mil RO3003G2温度特性和该竞品材料的性能。

在使用微带线差分相位长度法确定77 GHz频率下的Dk时，5 mil RO3003G2层压板厚度方向（z轴）的Dk值是3.07。当通过固定式带状线谐振器方法测试10 GHz下的Dk时，沿z轴的Dk值为3.00。尽管这两种方法均是在室温条件下进行的，但并不知道当电路处于更高工作温度时，材料的Dk会发生怎样的变化。利用微带线差分相位长度法可以获得材料（如RO3003G2层压板）在更宽工作频率范围及室温条件下的Dk及频率响应。延伸该测试，如果升高温度（+65°和+125°C）并重复进行测量，即可确定TCDk，并可更好地了解工作温度变化是如何影响该材料电路性能的。

如图1所示，图中展示了RO3003G2层压板在不同工作温度下的Dk随频率变化的情况。首先，高频材料的Dk都会随着频率升高而下降；其次，随着工作温度的升高Dk发生了变化。RO3003G2层压板的TCDk是-35 ppm/°C，通过微带线差分相位长度法在不同温度下的一系列测量，可以看到材料的Dk会随着温度升高而下降，与负号一致。在77 GHz时，RO3003G2材料从常温到+125°C 的ΔDk或Dk变化量约为-0.010，同时在1 inch（25.4mm）长的微带传输线的相位角变化（Δϕ） 为6度。

这种Dk随温度变化会导致毫米波频率下的电路发生非期望的性能变化，特别是当设计时都认为高频传输线的相位角在所有工作温度时保持不变，以及认为如射频信号、收发信机和其他电子系统中毫米波信号大小保持不变。虽然ΔDk在77 GHz时为0.010，但特别是与其他电路材料的毫米波频率相比较，才能更好地了解在不同温度条件下的性能。

                                 ▲ 图1 测量结果表明RO3003G2电路层压板在77 GHz时不同温度下的ΔDk非常小

为方便比较，对目前市场上的5 mil厚度的某款商用高频电路材料进行测试对比。该材料数据手册标示10 GHz时z轴方向Dk为3.0，Df为0.002。利用微带线差分相位长度法测量该层压板上不同长度的传输线在77 GHz时相位差，从而评估毫米波频率下性能以及在室温、+65°C和+125°C温度下的Dk变化。经过测试得到该材料在77 GHz时的ΔDk为0.031（图2），高达RO3003G2层压板材料的（0.010）三倍。该ΔDk值的变化也会导致的相位角变化非常明显，而且毫米波雷达应用通常也会重点要求相位角保持尽可能的一致性。

如图Dk随频率变化所示，这款材料的Dk在频率较低时的变化相对较小，Dk值大于3.10。但是在毫米波频率范围内，Dk的随温度的变化增大，这表明温度对Dk的影响是非常明显的。随着工作温度升高至更高+125°C，77 GHz时的Dk从3.045大幅下降至3.010，变化达到0.031。

                                  ▲ 图2 上述图表显示了毫米波频率下、不同工作温度对不同高频电路材料Dk的影响。

3，损耗随温度的变化

对于电路材料的损耗随温度的变化，除TCDf之外，TCIL特性可提供一个了解材料在不同温度条件下电路总的损耗性能的方法。TCDf是材料参数，描述的是材料介质损耗性能随温度变化的趋势；TCIL是电路参数，用于说明相关电路材料上的电路的预期信号功率损耗。对于在毫米波频率及更宽温度范围环境中工作的有源或无源电路来说，TCIL也是评估毫米波电路或系统中使用的电路如衰减器、滤波器等部件的实际信号损耗随温度的变化的一种方法。

为了评估RO3003G2电路材料在温度升高时毫米波电路的性能变化，在评估TCDk的同时也进行了TCIL的特性测试。测试样品与前面所测试的同一电路样品，铜箔是0.5oz标准HVLP ED铜、材料厚度5mil。众所周知，所有无源微波/毫米波PCB传输线其插入损耗均会随着频率增加趋势。如图3所示， RO3003G2的微带线电路的损耗也是相同的，在77 GHz下的电路插入损耗约为1.3 dB/inch。在常温、+65°C和+125°C的不同工作温度下，RO3003G2的插入损耗曲线几乎重叠，对频率的响应几乎相同，不随温度变化而发生明显的变化。可以看到，在77 GHz时插入损耗的变化量或ΔIL仅为0.008 dB/inch。因此，基于RO3003G2材料所有无源电路和传输线的损耗在宽工作温度下、77 GHz时均小于1.5 dB/inch。

                                    ▲图3 基于PTFE的RO3003G2电路层压板在不同温度下的插入损耗变化ΔIL

对基于PPE的竞品高频电路材料的损耗随温度的评估，也采用了完全相同的方法进行了测试，分别测试了不同温度下的插入损耗变化ΔIL特性。测试电路的设计也是完全相同的，使用0.5oz极光滑铜箔的5 mil厚度的竞品电路材料，微带线差分相位长度测试方法。如图4所示，其插入损耗随温度的变化与RO3003G2材料表现完全不同，特别是在77 GHz时。在77 GHz时，基于PPE电路材料的插入损耗变化ΔIL达到0.281 dB/inch。这表示采用该材料的77 Ghz雷达毫米波电路，电路的插入损耗将从室温的1.47 dB/inch增大为+125°C时的1.75 dB/inch，存在超过20%的损耗变化，对雷达天线的性能和雷达探测距离影响较大。

                                      ▲图4 基于PPE树脂体系的电路层压板的插入损耗会随着温度升高而发生明显变化。

除汽车雷达传感器之外，工业传感器的应用也越来越依赖77 GHz频段及60~80 GHz频段，所以TCDk和TCIL对于这些频段来说也是非常重要的。为了更好地了解77 GHz频率下天线可能发生的频偏，特设计了1 × 8串联馈电的微带贴片天线（如图5）作为测试样品，用于比较不同电路材料在77 GHz时发生的随温度变化的频率漂移。

▲图5 这是天线测试电路，分别在四种不同的5mil厚度的电路材料上设计了77 GHz的 1 × 8串馈微带贴片天线，由此比较由于温度变化所引起的天线频率偏移。

利用微带贴片天线进行的测试，与前面的微带线差分相位长度法的测试过程完全相同，只是被测电路用贴片天线代替了微带传输线。分别在5 mil RO3003G2和5 mil CLTE-MW™层压板，及其他2种不同的5 mil PPE层压板（即PPE #1和PPE #2）上设计了完全相同长度的贴片天线。设计的贴片天线以76.90 GHz为中心频点，带宽约1.5 GHz，采用四分之一波长阻抗变压器进行天线的阻抗匹配。按照前面讨论的传输线电路温度范围测量了这4种材料上的贴片天线的S参数。如表1中所示，2种基于5 mil PPE材料的天线频率随温度变化的频偏明显高于5 mil RO3003G2和5 mil CLTE-MW层压板材料。这也表示在温度会发生变化的工作环境中使用这些材料可能会造成性能的差异。

在发射信号功率有限的毫米波频率下，低损耗特性对于电路来说是非常重要的。在温度升高的环境下，插入损耗变化ΔIL较小的电路材料对于如汽车防撞雷达的应用尤为重要。我们知道，汽车雷达传感器系统即使处于非常恶劣的温度环境下，其毫米波信号损耗变化也非常小、性能一致性好，可以令系统集成商（和汽车制造商）放心使用，其雷达传感器系统在这些温度范围内均能可靠地正常运行。

总结

工作温度环境的变化并不总是可预测的，但却可以预见，特别是对于会接触室外温度和热源的电子应用来说。从系统的电路板开始，温度效应就会使电路性能发生变化，代价高昂。通过一系列的测量技术，有助于获得和评估温度升高条件下的一些材料性能，如TCDk和TCIL等参数，从而选择合适的且表现优异的电路材料应用于关键部件。