帶狀線法測量微波材料的復介電常數

真空介電常數 張文喜 中國電子科技集團公司第46 研究所

  精確測量低損耗微波材料的復介電常數十分重要。利用帶狀線法測量微波介質基板常溫和變溫的復介電常數,得到了高精度的測試結果。結果表明了用帶狀線法測量低損耗微波介質基板復介電常數的有效性和準確性。還分析了帶狀線測試方法中產生的誤差和應該注意的事項。

引言

  電子產業正在向高頻化,寬工作頻帶,高傳輸速度方向發展,該趨勢促進了高頻微波材料的發展,同時也對微波介質材料提出了更為苛刻的要求。眾所周知在高頻下電路信號的傳輸速度與介電常數有直接的關系,而信號的傳輸損失與介質損耗角正切成正比。這些都表明準確測量微波材料在高頻下的介電常數和介質損耗角正切十分必要。

  介質材料的電磁參數測試方法主要分為網絡參數法和諧振法。兩種方法各有優缺點。網絡參數法能測試高損耗材料的復介電常數且能實現連續掃頻測試,此外測試夾具加工相對簡單,成本較低。缺點是對低損耗材料的損耗測量精度不高。諧振法適用于低損耗材料復介電常數的測試,測試結果比較精確。但其測試頻率受到腔體諧振頻率的限制,若要實現寬頻帶的測試就要選用多模測試,并且相鄰諧振模式間的頻率間隔不能過大。在多模測量過程中容易受到雜模的干擾,真空技術網(http://www.qbjic.club/)認為這是諧振法在測試過程中的一大難點。

  采用帶狀線諧振法對低損耗覆銅板進行了復介電常數的常溫和變溫測試,得到高精度的結果,對測試中產生的誤差進行了詳細分析,提出了測試過程中應注意的事項。

1、實驗部分

1.1、測試原理

  帶狀線是由兩塊相距為b 的接地板與中間寬度為W、厚度為t 的矩形截面導體帶構成,如圖1 所示。帶狀線諧振器是一段截斷的帶狀線。在測量時,將樣品放在封閉諧振腔電場最強處,利用樣品放置前后對腔體電磁場結構的改變,通過測試腔體的品質因數及諧振頻率變化從而得出材料的電磁參數。對樣品進行測試時,在樣品中傳播的電磁波為TEM 波,即電磁場只分布在與傳播方向垂直的橫截面上,如圖2 所示。它的截止波長λ = ∞,工作波長帶狀線法測量微波材料的復介電常數

帶狀線法測量微波材料的復介電常數

圖1 帶狀線結構圖

帶狀線法測量微波材料的復介電常數

圖2 帶狀線諧振器內的電磁場分布

1.2、樣品制備

  將覆銅板上的銅箔去掉或保留一面銅箔,得到一個均勻、表面光潔、平整的介質基板。將基板按照長度L = 50 ± 0. 5 mm,寬度L' = 30 ± 0. 5 mm 切割,得到兩片尺寸相同的基板,然后把兩片疊在一起,中間放一個薄金屬導帶,固定在樣品架上。

1.3、測試系統

  測試系統方框圖,如圖3 所示。

帶狀線法測量微波材料的復介電常數

圖3 測試系統方框圖

3、誤差分析及注意事項

3.1、誤差分析

  (1) 帶狀線中金屬導帶兩端口邊緣場效應引起的有效增量不容易精確計算,同時由于試樣實際尺寸的制約使得諧振半波數n 的數值不會正好是整數,需要通過數值修約規則修約,因而會影響相對介電常數的精確計算。

  (2) 金屬導帶長時間放置表面會被氧化,且不光滑都會使損耗增加。為了消除該誤差每次制樣時都對金屬導帶用砂紙打磨至光滑,且邊緣整齊沒有毛刺。

  (3) 當作變溫實驗時,由于熱膨脹的存在有可能會使誤差變得比較大,如樣品的熱膨脹使L 變長,這有可能導致測量結果的不準確。

  (4) 試樣厚度測量不確定度引入的誤差。標準規定樣品厚度測量誤差為0.02 mm,由于加工原因樣品表面將凹凸不平,其表面粗糙度對測試誤差的影響可歸結為測試樣品厚度的影響,若嚴格控制工藝仍在系統誤差范圍之內。

  (5) 試樣表面與電磁波入射方向不垂直,有可能激起高次模,從而對測試造成一定誤差,這可以認為是一個斜劈對理想放置的試樣的微擾,通過微擾理論可以計算出這項誤差。

  (6) 信號源頻率不確定度會導致頻率的誤差,本文中所選測試儀器信號源頻率準確度當作擴展不確定度1 × 10 -8。

3.2 注意事項

  (1) 由于該方法采用多模測量方式,容易受到雜模的干擾。如果樣品尺寸處理不當就會在測試中出現高次型TE 和TM 模,為防止高次模的出現要求橫向尺寸滿足,

帶狀線法測量微波材料的復介電常數

  式中,b 為總樣品厚度; W 為諧振導帶寬度; a 為樣品寬度。

  (2) 對不同硬度和平面度的基片施加的壓力也不同,太大容易壓碎基片,壓力太小測量會出現較大誤差。當壓力增加S /3 牛頓( S 為基片面積,單位為mm2 ) 諧振頻率降低量小于f0 × 5 × 10 -4,該壓力則為正常壓力。

  (3) 同軸線和帶狀線諧振器的中心導帶基本保持在同一條直線上,且耦合度為弱耦合,通過式諧振電路諧振時耦合縫隙寬度約在0. 3 ~ 2 mm之間。

4、結語

  用帶狀線諧振法對介質基板復介電常數進行了測試,得到了較高精度的測試結果,并對測試過程中的誤差進行了全面、系統的分析,提出了制樣和測試過程中應該注意的問題。帶狀線法測量樣品復介電常數,制樣簡便,測量精度高,是低損耗基板的有效測量方式。