你的信號為啥慢？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100 GHz。在以上這些應(yīng)用場景下，因為傳輸媒介的介電特性會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)計周期、加強工藝監(jiān)控并確保質(zhì)量保證。

在現(xiàn)代工業(yè)中，每種材料都有獨特的電氣特性，這些特性與其介電性能密切相關(guān)。精確測量材料的介電特性, 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顯著的工程優(yōu)勢。

簡單來說：

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

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

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。

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

所以，你的信號為啥慢，是否跟材料有關(guān)系呢？今天就來說說如何為您的材料做個徹底的“體檢”。

介紹最新的Dk/Df 與導(dǎo)電率精確測量利器

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，以保持競爭力。

圖一 PCB產(chǎn)業(yè)概覽

圖二 Keysight高頻高速PCB測試解決方案 

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、阻抗測量、Delta-L 損耗測試以及 Dk/Df 參數(shù)提取，其中Dk = 介電常數(shù)，Df = 損耗因子。

為了準(zhǔn)確獲得材料測量的精準(zhǔn)結(jié)果，高精度的材料評估系統(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量）

阻抗分析儀以及LCR表

材料測量軟件

以及適應(yīng)各種測試場景的治具

以上這些儀器可以幫助用戶測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。

在以往的測試經(jīng)驗中，測量治具通常會成為材料測試的最大瓶頸。

基于材料的多樣性和復(fù)雜性，需要多種不同的測量方法來實現(xiàn)測試，在測試中，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)成精確和高效的測試。

圖三 材料測試技術(shù)

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

圖四  Keysight材料測試夾具一覽表

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

近年來，分裂圓柱諧振器和法布里珀羅諧振器已成為介電常數(shù)測量的標(biāo)準(zhǔn)方法，廣泛用于國際上，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)的用于材料測試的治具，并且使用這些治具的最新測試案例分享。

使用分裂圓柱諧振器測量介電常數(shù)

使用法布里珀羅諧振器測量介電常數(shù)

分裂圓柱諧振器測量介電常數(shù)的原理

1. 測量原理

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電場分布，可實現(xiàn)對薄膜的高靈敏度測量。

圖1：諧振頻率偏移示意圖。

比較有無樣品時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，Q值降低也可以用來評估表面導(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。其顯著特點是超快的測量速度：一個樣品僅需15秒即可完成測量。

圖2：分裂圓柱諧振器的裝置與測量步驟

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

每個樣品的測量時間最短僅15秒，可高效評估大量材料

覆蓋10–80 GHz頻段，可通過更換諧振器實現(xiàn)不同頻率測量

可與溫度和濕度試驗箱結(jié)合進(jìn)行環(huán)境特性評估

法布里–珀羅諧振器測量介電常數(shù)的原理

1. 測量原理

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，鏡面之間會因諧振而形成駐波。在沒有樣品時測量諧振頻率和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)這些變化即可計算出介電常數(shù) (ε′) 和介質(zhì)損耗角正切 (tanδ)。由于一個治具即可實現(xiàn)寬頻段測量，特別適用于高頻下低損耗材料的評估。

圖2展示了法布里–珀羅諧振器的外觀及測量步驟。對于每個樣品，所有頻點的測量大約在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

高速測量：每個頻點約4秒

液體測量能力：使用專用液體容器即可獲得穩(wěn)定結(jié)果