劉兆楓 劉國龍 董彥輝

（中國電子科技集團(tuán)公司 第四十六研究所，天津 300220）

1 引言

隨著電子信息領(lǐng)域的高速發(fā)展，電子元器件及通信終端等產(chǎn)品逐漸向高頻、高速化發(fā)展，使其對高頻微波介質(zhì)基板材料提出了更高的要求[1]-[4]。如何對其介電性能進(jìn)行準(zhǔn)確的測試，是目前亟待解決的重要問題[5]-[7]。國際上，測試微波介質(zhì)基板介電性能參數(shù)的方法通常是采用IPCTM-650 2.5.5.5[8]。但該方法限定其測試頻率在X波段即8～12 GHz；國標(biāo)中相似的測試方法為GB/T 12636-1990《 微波介質(zhì)基片復(fù)介電常數(shù)（帶狀線法）》[9]，該方法限定測試頻率為1～20GHz，對于20GHz以上，電子科技大學(xué)有設(shè)備可以采用該方法進(jìn)行介電性能測試，但其測試結(jié)果準(zhǔn)確性并未有相關(guān)報導(dǎo)。對于20GHz以上的介電性能測試還有介質(zhì)諧振器法和TE01δ測試腔法，其中，介質(zhì)諧振器法受測試探針直徑的影響，只可對厚度在3 mm以上的樣品進(jìn)行測試，對于通常厚度為0.25 mm～1.52 mm的微波介質(zhì)基板樣品，需要疊加來進(jìn)行測試，很容易引進(jìn)樣品間空隙帶來的測試誤差，同時其測試頻點(diǎn)也受樣品尺寸和介電常數(shù)的影響，一般在20GHz以上能夠測試的頻點(diǎn)只有1～3個；TE01δ法的測試腔作為高Q值測試腔，有測試20～40GHz微波介質(zhì)基板的能力，但該方法在進(jìn)行高頻測試時，對樣品的尺寸有要求，樣品直徑需在3.2 mm～8 mm之間，厚度在1.1 mm～2.3 mm之間。同時樣品尺寸帶來的誤差較大，對樣品加工精度要求也較高。

本文主要是研究20～40GHz微波介質(zhì)基板帶狀線法測試介電常數(shù)、介質(zhì)損耗、介電常數(shù)溫度系數(shù)測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，并對同一種樣品RT duroid 5880采用帶狀線法、介質(zhì)諧振器法、TE01δ測試腔法進(jìn)行測試，對其結(jié)果進(jìn)行了比較和分析。

2 帶狀線法測試介電常數(shù)及介電常數(shù)溫度系數(shù)原理

2.1 相對介電常數(shù)測試原理

帶狀線諧振器是在尺寸相同的兩片介質(zhì)基片的中間位置夾持一片薄的金屬銅箔導(dǎo)帶，然后在上下壓上導(dǎo)電良好的金屬板，形成兩端開路的帶狀線，并在其傳播方向上進(jìn)行微波信號的耦合，形成耦合回路，如圖1所示。

圖1 帶狀線諧振器示意圖

測試時，激發(fā)帶狀線諧振器產(chǎn)生諧振，并通過測試TEM模各諧振峰的諧振頻率f和品質(zhì)因數(shù)Q，結(jié)合諧振器的長度、厚度，金屬導(dǎo)帶的寬度、厚度，以及金屬接地板的電阻率等參數(shù)，計算出介質(zhì)基材在不同頻率下的相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗。

2.2 介電常數(shù)溫度系數(shù)測試原理

介電常數(shù)熱系數(shù)按公式（1）計算。

式中：

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

3.1 測試系統(tǒng)組成

如圖2所示，為帶狀線諧振器變溫測試系統(tǒng)組成，包括帶狀線測試夾具、溫度控制系統(tǒng)、高頻耦合探針，加壓測壓裝置、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和控制電腦等。

圖2 帶狀線諧振器測試系統(tǒng)框圖

待測樣品固定在夾具之間，并整體置于溫控系統(tǒng)中，通過加壓裝置對帶狀線諧振器施壓，以排除諧振器中的空氣，測試時由網(wǎng)絡(luò)分析儀通過高頻耦合探針激發(fā)諧振器產(chǎn)生諧振，最終測試結(jié)果由計算機(jī)求出。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀選用安捷倫N5230C，系統(tǒng)由中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所研制。

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

采用三套不同的介電性能測試系統(tǒng)：中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所研制的1～40GHz帶狀線高低溫介電性能測試系統(tǒng)；波蘭QWED公司的TE01δ測試腔法；電子科技大學(xué)的介質(zhì)諧振器法，對RT duroid 5880介電常數(shù)及介質(zhì)損耗進(jìn)行測試，以比對不同測試方法測試結(jié)果的差異性。

4 試驗(yàn)結(jié)果和分析

4.1 帶狀線測試結(jié)果

采用1～40GHz帶狀線測試RT duroid 5880介電常數(shù)如圖3所示，其全頻段介電常數(shù)測試結(jié)果介于2.20～2.21之間，結(jié)果均勻性較好，介質(zhì)損耗結(jié)果如圖4所示，損耗不同頻點(diǎn)間差距較大，不同頻點(diǎn)采用相同的測試條件（統(tǒng)一調(diào)節(jié)為-48±0.5 dB耦合量），低于20GHz測試結(jié)果偏離的頻點(diǎn)相對較少，當(dāng)高于20GHz介質(zhì)損耗偏離頻點(diǎn)逐漸增多。

圖3 RT duroid 5880介電常數(shù)測試結(jié)果

圖4 RT duroid 5880介質(zhì)損耗測試結(jié)果

4.2 TE01δ測試腔法測試結(jié)果

受腔體對樣品尺寸大小的要求及樣品本身介電性能的影響，TE01δ測試腔法對于RT duroid 5880只能測試部分頻段：17.2～20.8 GHz及36.7～38.7 GHz，可以通過改變樣品尺寸來獲得不同頻點(diǎn)的介電性能測試值，其中介電常數(shù)結(jié)果如圖3所示，其介電常數(shù)測試結(jié)果介于2.19～2.21之間，結(jié)果均勻性較好，與帶狀線方法測試結(jié)果一致性較好。介質(zhì)損耗結(jié)果如圖4所示，由測試結(jié)果來看，在相對測試頻段的介質(zhì)損耗均勻性及一致性要優(yōu)于帶狀線法,這是由于TE01δ法的測試腔屬于高Q值測試腔，受樣品尺寸測試誤差影響較小。

4.3 介質(zhì)諧振器法測試結(jié)果

受腔體對樣品尺寸的要求及樣品本身介電性能的影響，介質(zhì)諧振器法可以測試的頻點(diǎn)較TE01δ測試腔法更少，測試結(jié)果如表1所示。介電常數(shù)測試結(jié)果介于2.19～2.23之間，與帶狀線法和TE01δ測試腔法的結(jié)果偏差并不大，但是介質(zhì)損耗與帶狀線法和TE01δ測試腔法的結(jié)果相比偏差較大，這可能是因?yàn)榻橘|(zhì)諧振器法測試樣品采用疊加的方式進(jìn)行測試，樣品間存在的空隙引起介質(zhì)損耗的增大。

5 結(jié)論

經(jīng)研究表明，對于微波介質(zhì)基板介電性能的測試，采用帶狀線法對于20～40GHz介電常數(shù)結(jié)果與TE01δ諧振腔法和介質(zhì)諧振器法具有較好的一致性，該方法對于介電常數(shù)可以實(shí)現(xiàn)1～40GHz全范圍的測試，TE01δ諧振腔法和介質(zhì)諧振器法只能進(jìn)行部分頻段的測試，同時由于介電常數(shù)溫度系數(shù)只與介電常數(shù)與溫度有關(guān)系，所以介電常數(shù)溫度系數(shù)也可以采用帶狀線方法進(jìn)行全范圍測試。對于介質(zhì)損耗的測試，三種方法中，介質(zhì)諧振器法偏差最大，TE01δ諧振腔法較為準(zhǔn)確，采用帶狀線法測試結(jié)果較TE01δ諧振腔法還存在一定的誤差，有待進(jìn)一步研究改善測試系統(tǒng)，通過優(yōu)化系統(tǒng)和提高Q值，以進(jìn)一步提高20～40GHz介質(zhì)損耗測試的準(zhǔn)確性。

表1 RT duroid 5880介電常數(shù)、介質(zhì)損耗測試結(jié)果-介質(zhì)諧振器法