【经验】介电常数（Dk）测试对于毫米波电路设计的重要性分析

介电常数(Dk或相对介电常数)是许多电路设计师的一个重要起点，无论是为设计选定印制板板材(PCB)，还是用现有材料根据其介电常数进行计算机电路仿真。

在根据电路材料的介电常数进行电路设计或仿真时，该材料的介电常数精度可影响仿真模型的成功与否，特别是在较高的毫米波频率，该频率下波长较短，电路尺寸要求必须精确。而通常电路材料的介电常数是根据电路材料的已知物理参数以及测量过程中使用的测试电路和夹具，通过测量和推导确定的。

目前尚无完美的介电常数测量方法，正因如此，有许多不同的介电常数测试技术力图达到最高的测试精度。这些测试方法的测试难度和精度各有不同，即使在相同频率和温度条下对相同的材料进行测试，也会得到不同的介电常结果。随着电子电路在毫米波中应用的越来越多，介电常数的不同可能会拖延设计进度。当一种材料的介电常数与公布的有出入时，为实现具有优异电磁特性的毫米波电路设计，以该材料建立的仿真电路就必须尽可能从最精确的介电常数开始。不同的测试方法会带来不同的测量结果，所以基于对不同测试方法工作机理的了解有助于为毫米波电路指定电路材料。

随着电路及应用在频率上的上升，人们开发出不同的测试方法以确定材料的关键参数，如介电常数和耗散因子。介电常数的测量技术通常是基于材料或电路的方法进行的。其中基于材料的测试方法需要将材料置于测试夹具中，而基于电路的测试方法则需要在材料上制造一个参考电路或结构，并从对电路或结构的测量中得出介电常数值。大多数基于材料的电常数值测试方法测量无镀层或无金属层压的材料，而基于电路的材料测量包含了导体对测试结果的影响。

基于材料的介电常数测试方法通常在同一频率和温度下测试，而基于电路的测试方法则可以在一个频段内进行测试，具体频段则取决于测试电路类型。基于传输线结构的测试电路，例如微带线和带状线，可以用连续扫频测量来评估。其测试电路使用调谐到单一频率的谐振器。

根据电子行业组织的规定，例如IPC，许多介电常数测试方法已经标准化。例如：IPC TM-650是一组用于表征PCB材料的介电常数、损耗因子和其他基本参数的测试方法。然而即使有标准化的、明确的测量指导方针，不同的测试方法对同一材料也会因为每次测试中存在的变量而产生不同的介电常数值。了解介电常数各测试方法之间的区别可以为设计者在比较各种材料和介电常数值时提供视野，尤其当这些值是由不同的测试方法所确定时。

由于不同的介电常数测试方法会产生不同的介电常数值，一些材料供应商，如罗杰斯（ROGERS）会为材料提供几种介电常数值：“制造过程介电常数”和“设计介电常数”。对于罗杰斯，制造过程介电常数是基于特定的标准化测量得出的，如在同一频率和温度下IPC-TM-650 2.5-5.5中详细介绍的测试方法。另一方面，设计介电常数适用于某个频率范围，这些值可基于多种测试方法得到，例如基于材料和电路的介电常数测试方法。对于大多数设计师来说，设计介电常数为材料提供了更实用的概念，尤其当指定的频率范围适用于他们感兴趣的区域时。如果不是，例如在毫米波频率(30至300GHz)下，设计人员可能希望在感兴趣的频率范围内表征材料的介电常数，并进行自己的介电常数测量。

几种对比DK测试方法

对于介电常数测试方法的准确性，每种方法都会受到许多因素的影响，例如：测试设备（通常是矢量网络分析仪）的校准精度、用于基于材料的测量的测试夹具的变化以及用于基于电路的测量传输线或谐振结构的制造变化。大多数电路材料是各向异性的，沿着材料的不同轴（如：它的x(长度)，y(宽度)和z(厚度)轴）测量所得到的介电常数值也是不一样的。虽然通过x轴和y轴确定介电常数值的测试方法很有用，但通过z轴确定介电常数值的测量通常最受关注，因为这是大多数电路传输线之间介质层的介电常数。

罗杰斯公司（ROGERS）使用标准IPC-TM-650 2.5-5.5所描述的钳位带状线谐振器测试，用以确定其电路材料的过程介电常数值；它也可以通过厚度或材料的z轴确定的这两个参数来测量介电常数值。这种介电常数值测试方法在单个频率上的测试是精确且可重复的，例如10 GHz，其材料特征是是无金属覆层。为了进行基于材料的测试，被测材料被夹在围绕谐振器卡的测试夹具中(通常是带线谐振卡)，固定测试夹具的金属夹也用作谐振器的接地面。为了可重复、准确的测量材料的介电常数，组装测试夹具时务必小心谨慎，因为留在夹具内的任何空气(介电常数为1)都将与被测材料一起参与测试，成为测试的一部分并降低所测材料的介电常数值。

测试夹具是任何基于材料介电常数测试的基本组件，该夹具通常使用某种形式的谐振器和频率测量，并结合材料物理参数的知识，例如厚度，以共同确定材料的介电常数。基于材料的介电常数测试技术的可重复性和准确性取决于测试夹具的高制造质量，就像基于电路的介电常数测量方法的可重复性和准确性取决于测试电路的制造质量一样。

在确定材料介电常数的测试方法中使用了几类谐振腔结构，包括分离介质谐振腔（SPDR）测试、全片谐振腔（FSR）测试和分裂圆柱体谐振腔（SCR）测试，这些测试方法在IPC-TM-650系列测量方法中都有所定义。分离介质谐振腔测试将充满空气的谐振腔(空腔)与同样充满被测材料的谐振腔进行比较，通过对比获取两者之间介电常数的差异，该方法的测量精度取决于对材料厚度和谐振腔尺寸的测量精度，该方法在x-y平面上提供测试结果，但不在z轴上提供介电常数值。全片谐振腔（FSR）测试使用全覆铜板材，通过扫频法寻找驻波或谐振峰。覆铜板材作为一个开壁平行板波导，通过扫频测量板长边沿的驻波，材料尺寸和共振频率可提供足够的细节来推导材料在该共振频率下的介电常数值，这种方法适用于长波长和低频率，但在评估较薄的电路时其测量结果可能并不准确。

分裂圆柱体谐振腔（SCR）测试是基于将材料样品放置在两半圆柱谐振腔之间进行测试的。两半圆柱谐振腔一半是固定的，另一半是可移动的，他们之间有一个可调节的间隙，以适应不同厚度的待评估材料。小耦合环被添加到每个半圆柱体侧面的孔中，以测量与被测材料的x-y平面相切的电场，从而确定介电常数值。

基于电路的介电常数测量方法在如何应用和产生的结果上也有所不同。这些测试方法可能取决于测量传输线或结构的传输特性和反射特性或取决于测量谐振电路的频率和相位。其中传输线类型包括微带线、带状线和共面波导(CPW)，而谐振电路包括环形谐振器，有时还包括使用诸如带通滤波器的谐振器结构。

介电常数的高精度测量依赖于对材料和电路物理尺寸的精确测量，如传输线线宽、铜导体厚度以及介质厚度，而在毫米波电路和结构的尺寸下，这些测量变得尤具挑战。介质材料厚度和铜导体的粗糙度的变化会导致传输线信号路径发生偏差，在毫米波频率下这种偏差更为明显，并导致在计算介电常数值时产生精度误差。通过测试发现，光滑的铜导体可以形成更短的传输路径和不同的介电常数值。这种物理电路偏差对谐振器电路也很重要，在谐振器电路中，频率和相位的精确测量同样至关重要。

为确定电路材料的介电常数，目前已经开发了许多不同的方法。同一种材料如果每次用相同的测试方法进行表征，可能会得到一致的介电常数值，而同一种材料用不同的测试方法则会得到不同的介电常数值。很简单，测试电路和夹具的变化会导致介电常数值发生变化。每次测试时通过使用相同的介电常数测试方法来使这些变化最小化，但在某个感兴趣的应用条件下(例如：在毫米波频率下)，该测试方法可能给不出介电常数值。通过更好地理解不同介电常数测试方法之间的区别，可能不一定能得到最完美的测试结果，但至少对感兴趣的应用可以选择最优的测量方法。