• 電路測試和原材料測試區別

    一般有兩大類的測驗辦法用于確認線路板資料的Dk或Df(損耗角正切或tanδ):即原資料丈量,或者在由資料制成的電路進行丈量。依據原資料的測驗依賴于高質量牢靠的測驗夾具和設備,直接測驗原資料能夠取得Dk和Df值。依據電路的測驗一般是運用常見電路并從電路功能中提取資料參數,例如丈量諧振器的中心頻率或頻率呼應。原資料的測驗辦法一般會引入了測驗夾具或測驗設備相關的不確認性,而電路測驗辦法包含來自測驗電路規劃和加工技能的不確認性。由于這兩種辦法不同,丈量成果和準確度水平一般不共同。

    例如,由IPC界說的X波段夾緊式帶狀線測驗辦法,是一種原資料的測驗辦法,其成果就無法與相同資料的電路測驗的Dk成果共同。夾緊式帶狀線原資料測驗辦法是將兩片待測資料(MUT)夾在一個特殊的測驗夾具中來構建一個帶狀線諧振器。在待測資料(MUT)和測驗夾具中的薄諧振器電路之間會有空氣,空氣的存在會下降丈量的Dk。假如在相同的線路板資料上進行電路測驗,與沒有夾帶空氣,測得的Dk是不同的。關于通過原資料測驗確認的Dk公役為±0.050的高頻線路板資料,電路測驗將得到約±0.075的公役。

    線路板資料是各向異性的,一般在三個資料軸上具有不同的Dk值。Dk值一般在x軸和y軸間不同很小,因而關于大多數高頻資料,Dk各向異性一般指在z軸和x-y平面之間進行的Dk比較。由于資料的各向異性,關于相同的待測資料(MUT),丈量得到的z軸的Dk與x-y平面上的Dk是不同的,雖然測驗辦法和測驗得到的Dk的值都是“正確的”。

    用于電路測驗的電路類型也會影響被測Dk的值。一般,運用兩種類型的測驗電路:諧振結構和傳輸/反射結構。諧振結構一般供給窄帶成果,而傳輸/反射測驗一般是寬帶成果。運用諧振結構的辦法一般更準確。

    測驗辦法示例

    原資料測驗的一個典型示例是X波段夾緊式帶狀線辦法。它現已被高頻電路板制造商運用多年,是確認線路板資料的z軸中的Dk和Df(tanδ)的牢靠手段。它運用夾緊式夾具使待測資料(MUT)樣品構成松耦合的帶狀線諧振器。諧振器的被測品質因數(Q)為空載Q,因而電纜,連接器和夾具校準對終究丈量成果影響很小。覆銅電路板在測驗之前需求將一切的銅箔蝕刻掉,僅測驗介質原資料基板。電路原資料在必定的環境條件下,切割成必定尺度并放置于諧振器電路兩邊的夾具中(見圖1)。

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    圖1 X波段夾緊式帶狀線測驗夾具側面(a),諧振器示意圖(b),及夾具實物圖(c)

    諧振器規劃是頻率2.5 GHz的半波長諧振器,因而第四個諧振頻率為10 GHz,這是常用于Dk和Df丈量的諧振點。能夠運用較低的諧振點和諧振頻率 – 甚至能夠運用較高的第五個諧振頻率,可是由于諧波和雜散波的影響一般防止運用更高的諧振點。丈量提取Dk或相對介電常數(εr)很簡單:

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    其間n是第幾個諧振頻點,c是自由空間中的光速,fr是諧振的中心頻率,ΔL補償耦合空隙中的電場引起的電長度延長。從丈量中提取tanδ(Df)也很簡單,它是諧振峰值的3dB帶寬相關的損耗減去與諧振器電路的導體損耗(1 / Qc)。

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    圖2 寬帶夾緊式帶狀線丈量60mils的待測資料(MUT),Dk = 3.48 

    圖2顯現的是運用夾緊式帶狀線法丈量60mils、Dk = 3.48的待測資料(MUT)的寬帶測驗成果。

    環形諧振器一般用作測驗電路。它結構簡單,在微帶線環的均勻周長的整數倍處諧振(見圖3a)。信號耦合一般是松耦合的,由于饋線和環之間的松耦合可使它們之間的耦合空隙電容最小化。該電容會隨頻率而改變,導致諧振頻率偏移,使在提取資料Dk時發生差錯。諧振環的導體寬度應遠小于環的半徑-依據經歷,小于環半徑的四分之一。

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    圖3 微帶環形諧振器(a)和寬帶丈量(b)

    圖3b是依據10mil厚的線路板資料的微帶環形諧振器的S21呼應,其間Dk = 3.48。Dk的近似核算由下式給出

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    雖然是近似,但這些公式關于確認初始Dk值很有用。運用電磁(EM)場求解器和準確的諧振器電路尺度能夠得到更準確的Dk。

    丈量Dk和Df時選用松耦合諧振器可最大極限地減小諧振器負載效應。使諧振峰值處的插入損耗小于20 dB可認為是松耦合。在某些情況下,由于耦合極弱導致諧振峰或許無法丈量。這一般發生在較薄厚度的諧振電路上,毫米波運用中常用較薄的電路資料,由于頻率越高波長越短、電路尺度也越小。

    毫米波測驗辦法

    雖然有許多Dk測驗辦法,但只有一些適用于毫米波頻率,仍沒有一種被認定是行業標準。以下兩種辦法在毫米波的測驗中是比較準確且具有高的可重復性。

    差分相位長度法

    微帶線差分相位長度法現已運用了許多年。這是一種傳輸線測驗辦法,丈量兩個僅物理長度不同的電路的相位(參見圖4)。為了防止線路板資料特性的任何改變,測驗電路的規劃在被測資料(MUT)上盡或許靠近在一起。這些電路是50Ω的長度不同的微帶傳輸線,信號饋入是接地共面波導(GCPW)方式。在毫米波頻率下,GCPW信號饋入方式非常重要,由于饋入處的規劃或許對回波損耗發生重大影響。還應運用端接非焊接式連接器,一方面使在不焊接的情況下同軸連接器和測驗電路之間構成良好的接觸,另一方面同一連接器能夠用于長短兩條不同的電路測驗,這最大極限地減少了連接器對丈量成果的影響。為堅持共同性,相同的連接器應一直對應矢量網絡分析儀(VNA)的相同端口。比如說,假如連接器A與 VNA的端口1相連接,而連接器B與端口2相連測驗較短的電路,則在測驗較長的電路時也應該如此。

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    圖4 差分相位長度法中運用的長、短微帶線電路

    長、短線電路的相位相減的一起也減掉了連接器和信號饋入區域的影響。假如兩個電路的回波損耗都很好并且連接器具有共同的方向,則連接器的絕大部分影響都能被減小到最低。在毫米波頻率下運用差分相位長度法時,回波損耗在60 GHz以下優于15 dB,60GHz至110 GHz優于12 dB均可接受。

    微帶差分相位長度辦法的Dk提取方程是依據具有不同物理長度的電路的微帶線相位呼應公式:

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    其間c是自由空間中的光速,f是S21相角的頻率,ΔL是兩個電路的物理長度的差,ΔΦ是長短線電路之間的相位差。

    測驗辦法包含幾個簡單的步驟:

    丈量長短線電路的在某一給定頻率下的S21相位角。

    運用公式確認有用Dk。

    測驗電路的準確的電路尺度,確認資料的初始Dk值并輸入EM場求解器。

    運用軟件生成模擬的有用Dk值。更改求解器中的Dk,直到同一頻率下資料的丈量的有用Dk和模擬的有用Dk值相匹配。

    通過將頻率增加到毫米波并重復此進程,能夠得到毫米波頻率下的確認Dk值。

    圖5顯現了運用微帶線差分相位長度辦法測驗5mil RO3003G2TM線路板資料的Dk隨頻率的改變。該曲線是運用羅杰斯公司開發的Dk核算東西所得。該數據反映了跟著頻率增加, Dk下降的趨勢。在較低頻率下,Dk隨頻率改變較大; 然而,從10到110 GHz的Dk隨頻率的改變很小。該曲線反映了具有低損耗和運用潤滑的壓延銅的資料,具有高損耗和/或較高銅外表粗糙度的資料其Dk隨頻率改變關系中表現出約大的負斜率。運用這種測驗辦法,還能夠通過在每個頻率上長短線的S21損耗值來取得待測資料(MUT)的電路的插入損耗(見圖6)。

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    圖5 微帶線差分相位長度法丈量的Dk與頻率的關系

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    圖6 微帶線差分長度法丈量插入損耗與頻率的關系

    環形諧振器法

    環形諧振器辦法是另一種用于毫米波表征的辦法。雖然環形諧振器一般在10 GHz以下運用,但具有恰當的加工精度,它也能夠在毫米波頻率下有用運用。加工精度很重要,由于電路尺度和尺度公役的影響在毫米波時影響更為杰出,任何改變都會下降精度。大多數毫米波環形諧振器很?。ㄒ话銥?mil),饋線和諧振器環之間的空隙也很小。環形諧振器的厚度、線路的鍍銅厚度、空隙尺度的改變都會對其有影響,從而影響諧振頻率。

    比較運用同一線路板資料但不同鍍銅厚度的兩個電路時,具有較厚銅的電路表現出較低的Dk。相同,兩個電路的諧振頻率也會不同,雖然它們運用相同的線路板資料和測驗辦法。圖7是便是這樣的一個例子,電路的終究電鍍外表的厚度改變導致相同資料的核算得到的Dk的差異。無論外表處理是化學鍍金(ENIG)還是其他鍍層外表,這種影響都是相似的。

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    圖7 毫米波環形諧振器丈量,鍍層是 63mil(a)和175mil(b)厚度的鍍鎳

    除了這些加工問題之外,導體寬度改變,蝕刻耦合空隙改變,梯形效應和基板厚度改變也會發生相似的影響。假如在用環形諧振器測驗Dk時考慮到一切這些改變,單個的環形諧振器丈量能夠得到正確的Dk值??墒?,許多測驗往往都是選用標稱電路尺度去測驗核算的Dk,因而并不必定正確。而且測驗的是較低頻率,這些效應不會像毫米波頻率那樣明顯影響Dk精度。

    在毫米波頻段運用環形諧振器的另一個重要變量是耦合空隙隨頻率改變。一般情況下,環形諧振器是用多個不同諧振點來評估的,耦合空隙一般有明顯的隨不同諧振點的頻率差異。因而耦合空隙的改變或許是一個重要的差錯源。為了戰勝這個問題,能夠運用差分圓周的辦法。這種辦法運用的兩個環形諧振器除了周長不同,基本是相同的,并且是彼此的整數倍(見圖8)。關于兩個環形諧振器,在Dk測驗中高階諧振點具有共同的諧振頻率。由于饋線和空隙相同,耦合空隙的影響減小 - 理論上消除 - 這使得丈量得到的Dk的精度更高。Dk的核算公式如下:

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    圖8 微帶差分圓周環形諧振器

    圖8中的環形諧振器是微帶結構,饋線是緊耦合GCPW以防止開路端的饋線諧振,防止攪擾環形諧振器的諧振峰值。一般假如饋線是開路,它們將具有自己的諧振。防止這種情況的僅有辦法是使饋線更短或運用緊耦合的GCPW饋線。由于差分圓周環形諧振器辦法直接所得到的仍然是電路的有用Dk,因而仍然需求進行準確的電路尺度丈量并運用場求解器來得到資料Dk。

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    定論

    這兒討論的毫米波測驗辦法都是依據電路的。還有許多其他的測驗辦法,如依據原資料的測驗辦法??墒谴蠖鄶缔k法測驗的x-y平面的資料Dk而不是z軸(厚度)Dk。電路規劃人員更多情況下運用z軸Dk,但關于某些運用中需求運用資料x-y平面Dk值的人來說,自由空間測驗法,分離圓柱諧振器測驗法和波導微擾測驗法等都是x-y平面的測驗辦法。

    也有人提出運用夾緊式寬邊耦合帶狀線諧振器測驗辦法用于確認毫米波頻率下的線路板資料Dk。但這種辦法僅關于小范圍內待測資料(MUT)最有用,并不合適大批量的測驗。因而,仍然在繼續研究可用于毫米波頻率的原資料的測驗辦法。

     

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