你的信號(hào)為啥慢？可能材料“體質(zhì)”不行

應(yīng)用于5G/6G通信、高速服務(wù)器和汽車?yán)走_(dá)等領(lǐng)域的電子設(shè)備，其工作頻率已超過(guò)100 GHz。在以上這些應(yīng)用場(chǎng)景下，因?yàn)閭鬏斆浇榈慕殡娞匦詴?huì)直接影響電磁波的傳輸速度，因此，各行各業(yè)都需要更深入地了解所使用材料的特性。以便縮短設(shè)計(jì)周期、加強(qiáng)工藝監(jiān)控并確保質(zhì)量保證。

在現(xiàn)代工業(yè)中，每種材料都有獨(dú)特的電氣特性，這些特性與其介電性能密切相關(guān)。精確測(cè)量材料的介電特性, 可以幫助工程師在特定應(yīng)用中合理選材，從而提升產(chǎn)品性能。在通信，航空航天、汽車、醫(yī)療、食品等行業(yè)的最新技術(shù)應(yīng)用也表明，深入了解材料的介電性能能夠帶來(lái)顯著的工程優(yōu)勢(shì)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)：

介電常數(shù)（Dk）就像材料的“電阻抗性格”——決定信號(hào)在它里面?zhèn)鞑サ乃俣取?/span>

介質(zhì)損耗（Df）則像“能量浪費(fèi)指數(shù)”——損耗越高，信號(hào)越容易衰減。

就好比一輛賽車跑在不同路面上：

路面平整（低損耗材料）→ 跑得快又穩(wěn)；

路面坑洼（高損耗材料）→ 不僅慢，還容易翻車。

這兩個(gè)指標(biāo)對(duì)芯片封裝、PCB、天線、雷達(dá)、衛(wèi)星通信等行業(yè)的重要性，就像油門和剎車對(duì)汽車一樣關(guān)鍵。

所以，你的信號(hào)為啥慢，是否跟材料有關(guān)系呢？今天就來(lái)說(shuō)說(shuō)如何為您的材料做個(gè)徹底的“體檢”。

介紹最新的Dk/Df 與導(dǎo)電率精確測(cè)量利器

以PCB行業(yè)為例，PCB原材料和層壓材料供應(yīng)商需要測(cè)量材料的介電特性，并在其規(guī)格表中提供材料的特性參數(shù)，頻率高達(dá)毫米波范圍，以保持競(jìng)爭(zhēng)力。

圖一 PCB產(chǎn)業(yè)概覽

圖二 Keysight高頻高速PCB測(cè)試解決方案 

從上面的方案中可以看到Keysight 為PCB原材料供應(yīng)商、PCB層壓材料供應(yīng)商、PCB制造商和系統(tǒng)制造商提供各種解決方案，包括傳輸線仿真、阻抗測(cè)量、Delta-L 損耗測(cè)試以及 Dk/Df 參數(shù)提取，其中Dk = 介電常數(shù)，Df = 損耗因子。

為了準(zhǔn)確獲得材料測(cè)量的精準(zhǔn)結(jié)果，高精度的材料評(píng)估系統(tǒng)通常由以下元素構(gòu)成：

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（能夠提供高達(dá)1.1 THz的寬頻率范圍精確測(cè)量）

阻抗分析儀以及LCR表

材料測(cè)量軟件

以及適應(yīng)各種測(cè)試場(chǎng)景的治具

以上這些儀器可以幫助用戶測(cè)量并分析材料的介電常數(shù)、損耗因子和其他關(guān)鍵電氣特性。

在以往的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)中，測(cè)量治具通常會(huì)成為材料測(cè)試的最大瓶頸。

基于材料的多樣性和復(fù)雜性，需要多種不同的測(cè)量方法來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試，在測(cè)試中，要配合適宜的治具和夾具，如同軸探針、平行板、同軸/波導(dǎo)傳輸線、自由空間和諧振腔等，才能達(dá)成精確和高效的測(cè)試。

圖三 材料測(cè)試技術(shù)

這些先進(jìn)的儀器和技術(shù)，配合易于操作的，簡(jiǎn)化了的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的測(cè)量流程，使得復(fù)雜的材料測(cè)試變得更加直觀和高效。

圖四  Keysight材料測(cè)試夾具一覽表

測(cè)量治具的完備性成為了材料測(cè)試中最復(fù)雜的部分，豐富的測(cè)量治具可以大大提高測(cè)試的效率。

近年來(lái)，分裂圓柱諧振器和法布里珀羅諧振器已成為介電常數(shù)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)方法，廣泛用于國(guó)際上，能夠提供高精度和高重復(fù)性的結(jié)果。

今天的文章，就要為您介紹四種新開發(fā)的用于材料測(cè)試的治具，并且使用這些治具的最新測(cè)試案例分享。

使用分裂圓柱諧振器測(cè)量介電常數(shù)

使用法布里珀羅諧振器測(cè)量介電常數(shù)

分裂圓柱諧振器測(cè)量介電常數(shù)的原理

1. 測(cè)量原理

分裂圓柱諧振器由垂直分開的金屬圓柱組成，樣品以薄膜形式插入兩部分之間。電磁波在圓柱內(nèi)形成諧振，通過(guò)分析諧振頻率和Q值的變化，可以確定介電常數(shù) (ε′) 和介質(zhì)損耗角正切 (tanδ)（圖1）。通常使用TE??δ模，該模具有平行于樣品的強(qiáng)電場(chǎng)分布，可實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜的高靈敏度測(cè)量。

圖1：諧振頻率偏移示意圖。

比較有無(wú)樣品時(shí)的諧振頻率即可求得介電常數(shù)

原理上，介電常數(shù)ε′由頻率偏移Δf/f0計(jì)算，損耗角正切tanδ由Q值的變化（1/Q）得到。當(dāng)使用金屬箔時(shí)，Q值降低也可以用來(lái)評(píng)估表面導(dǎo)電率，從而反映毫米波頻率下的趨膚效應(yīng)。

圖2展示了諧振器的裝置和流程。其顯著特點(diǎn)是超快的測(cè)量速度：一個(gè)樣品僅需15秒即可完成測(cè)量。

圖2：分裂圓柱諧振器的裝置與測(cè)量步驟

2. 分裂圓柱諧振器的特征

介電常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差 ≤ 0.0006，損耗因子的標(biāo)準(zhǔn)偏差 ≤ 0.000003

每個(gè)樣品的測(cè)量時(shí)間最短僅15秒，可高效評(píng)估大量材料

覆蓋10–80 GHz頻段，可通過(guò)更換諧振器實(shí)現(xiàn)不同頻率測(cè)量

可與溫度和濕度試驗(yàn)箱結(jié)合進(jìn)行環(huán)境特性評(píng)估

法布里–珀羅諧振器測(cè)量介電常數(shù)的原理

1. 測(cè)量原理

法布里–珀羅諧振器由兩塊平行放置的球面鏡組成。

圖1：法布里–珀羅諧振器的概略圖

如圖1所示，鏡面之間會(huì)因諧振而形成駐波。在沒有樣品時(shí)測(cè)量諧振頻率和Q值，當(dāng)樣品插入諧振腔中心后，諧振頻率會(huì)向低頻偏移，并且Q值因樣品的損耗而下降。根據(jù)這些變化即可計(jì)算出介電常數(shù) (ε′) 和介質(zhì)損耗角正切 (tanδ)。由于一個(gè)治具即可實(shí)現(xiàn)寬頻段測(cè)量，特別適用于高頻下低損耗材料的評(píng)估。

圖2展示了法布里–珀羅諧振器的外觀及測(cè)量步驟。對(duì)于每個(gè)樣品，所有頻點(diǎn)的測(cè)量大約在3分鐘內(nèi)即可完成。

圖2：法布里–珀羅諧振器的外觀和測(cè)量步驟

2. 法布里–珀羅諧振器的特征

寬頻覆蓋范圍：26–330 GHz

高重復(fù)性：對(duì)于COP (180 μm)，介電常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差 ≤ 0.00026，介質(zhì)損耗角正切 ≤ 0.000006

高速測(cè)量：每個(gè)頻點(diǎn)約4秒

液體測(cè)量能力：使用專用液體容器即可獲得穩(wěn)定結(jié)果