無論是用指定某一款PCB材料或者已知PCB材料進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，或者是用材料的Dk值進(jìn)行仿真，對(duì)設(shè)計(jì)工程師來說，介電常數(shù)（Dk或相對(duì)介電常數(shù)）都是一個(gè)重要的起點(diǎn)。尤其是在較高的毫米波頻率下，波長(zhǎng)較短，電路尺寸必須非常精確，介質(zhì)基板的Dk，電路材料的Dk準(zhǔn)確性可能直接影響原型設(shè)計(jì)是否成功。電路材料的Dk值是根據(jù)電路材料的已知物理參數(shù)和測(cè)量過程中使用的電路形式和夾具的測(cè)量來確定的。

實(shí)際上，沒有一種完美的Dk測(cè)量方法。正是這個(gè)原因，有許多不同的Dk測(cè)試技術(shù)都試圖實(shí)現(xiàn)盡可能的最高精度。不同方法的實(shí)施難度和精度各不相同，即使在相同頻率、溫度下，測(cè)試同一個(gè)材料時(shí)，也可能會(huì)產(chǎn)生不同的Dk值。由于毫米波的應(yīng)用，對(duì)電子電路的需要越來越多，所以Dk值的不確定性可能造成設(shè)計(jì)過程緩慢。當(dāng)材料的Dk與宣稱值不同時(shí)，利用該材料制作的電路樣品的Dk值必須盡可能準(zhǔn)確以確保性能，尤其是精細(xì)特征的毫米波電路的電氣性能。不同的Dk測(cè)試方法會(huì)產(chǎn)生不同的Dk測(cè)定結(jié)果，因此對(duì)Dk測(cè)試的具體不同點(diǎn)和意義有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)，能夠很好的幫助毫米波下的電路設(shè)計(jì)。

隨著電路和應(yīng)用的頻率不斷增加，已經(jīng)開發(fā)出了多種不同的方法，用于確定材料Dk和損耗因子（Df）等基本參數(shù)。所有測(cè)試方法大致可分為基于原材料和基于電路的兩大類。基于原材料的Dk測(cè)試方法往往將材料放入一個(gè)特定測(cè)試夾具中，而基于電路的測(cè)試方法則會(huì)在這種材料上制作一個(gè)參考電路或結(jié)構(gòu)，并從該電路或結(jié)構(gòu)的測(cè)量結(jié)果中推導(dǎo)出材料的Dk。大部分基于原材料的Dk測(cè)試方法測(cè)量的是無導(dǎo)電銅箔層的純介質(zhì)材料，而基于電路的材料測(cè)量則包含導(dǎo)體的影響。

基于原材料的Dk測(cè)試方法通常測(cè)定單一頻率和溫度下的Dk值，而基于電路的Dk測(cè)試方法可以根據(jù)試驗(yàn)電路的類型，測(cè)試某一個(gè)頻率范圍的進(jìn)行Dk值。另外，基于傳輸線結(jié)構(gòu)的電路，例如微帶線和帶狀線，可以通過連續(xù)掃頻測(cè)量進(jìn)行頻率范圍內(nèi)的值，而使用諧振器的試驗(yàn)電路也僅可以測(cè)試單一頻率下的值。

許多Dk測(cè)量方法根據(jù)如IPC等行業(yè)組織的規(guī)定進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理，例如，IPC TM-650匯集了用于確定PCB的Dk、損耗因子（Df）和其它基本材料參數(shù)的測(cè)試方法。然而，即使進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理，而且對(duì)于測(cè)量的過程有明確的指導(dǎo)規(guī)則，但是對(duì)于同一種材料，不同的Dk測(cè)量方法仍可能會(huì)產(chǎn)生不同的Dk值，這僅僅是因?yàn)槊糠N測(cè)量所涉及的變量不同。了解Dk測(cè)試方法的差異能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員在比較材料和Dk值時(shí)提供幫助和理解，尤其是當(dāng)這些數(shù)值用不同方法測(cè)定時(shí)。

由于不同的Dk測(cè)試方法可能產(chǎn)生不同的Dk值，所以材料供應(yīng)商特別是羅杰斯公司為同一種材料提供了多個(gè)Dk值：“過程”Dk和“設(shè)計(jì)”Dk。這里的過程Dk值是根據(jù)IPC-TM-650 2.5-5.5標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，測(cè)試單一頻率和溫度下的Dk值。而設(shè)計(jì)Dk值則是頻率范圍內(nèi)的一系列值。對(duì)于大部分設(shè)計(jì)人員來說，設(shè)計(jì)Dk值為工程師提供了更為具體的某一頻率下的材料的Dk值，特別是所設(shè)計(jì)電路的工作頻率下的值。如的確沒有相應(yīng)的Dk值，例如在毫米波頻率（30到300GHz）下，設(shè)計(jì)人員可能就不得不在相應(yīng)的感興趣的頻率上進(jìn)行自己的Dk測(cè)量。不同的Dk測(cè)試方法會(huì)產(chǎn)生不同的Dk值，了解該事實(shí)后，在采用不同的Dk測(cè)量方法時(shí)，則可以更好地理解測(cè)試所得到的Dk值含義。

Dk測(cè)試方法的對(duì)比

每種Dk測(cè)試方法的精度受多種因素的影響，例如測(cè)試設(shè)備（如矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA）的校準(zhǔn)精度、基于原材料的測(cè)量中使用的夾具的變化，或基于電路的Dk測(cè)量中使用的傳輸線或諧振結(jié)構(gòu)的加工中發(fā)生的變化等。大部分電路材料是各向異性的，也就是Dk值在材料的x（長(zhǎng)度）、y（寬度）和z（厚度）軸均有所不同。雖然測(cè)定x軸和y軸上的Dk值的方法也是有用的，但z軸上的Dk值的測(cè)量通常最值得關(guān)注，因?yàn)樗硎镜氖谴蟛糠蛛娐返膫鬏斁€的材料的Dk值。

羅杰斯公司所使用的夾緊式帶狀線諧振器測(cè)試方法是IPC-TM-650 2.5-5.5定義的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，用來測(cè)試電路材料的過程Dk值和損耗因子（Df）。這兩個(gè)參數(shù)均是測(cè)試材料厚度或z軸方向的值。該測(cè)試方法準(zhǔn)確高且可重復(fù)，但是僅測(cè)試的是單一頻率下的Dk值，例如10GHz的Dk值；且它表征的是無導(dǎo)電金屬銅箔的純介質(zhì)材料的特征。為了執(zhí)行這一測(cè)試，需要將PCB層壓板蝕刻去除掉銅箔后，將被測(cè)介質(zhì)材料放置于內(nèi)部含有諧振器的夾具中進(jìn)行測(cè)量。通過夾具兩側(cè)的接地板，與夾具內(nèi)含的諧振器共同構(gòu)成一個(gè)帶狀線諧振。為了進(jìn)行重復(fù)且準(zhǔn)確的測(cè)量，試驗(yàn)夾具必須謹(jǐn)慎裝配，這是因?yàn)檠b有被測(cè)材料的夾具中滯留的空氣（Dk值為1）會(huì)成為測(cè)試的一部分，降低材料測(cè)定的Dk值。

測(cè)試夾具是所有基于原材料的Dk測(cè)試裝置的基本構(gòu)件。夾具通常使用某些形式的諧振器，測(cè)量諧振頻率和材料厚度等物理參數(shù)從而測(cè)定材料的Dk值。所以，基于原材料的Dk測(cè)試的可重復(fù)性和精度更多的取決于試驗(yàn)夾具的精度，相比之下，基于電路的Dk測(cè)量方法的可重復(fù)性和精度取決于電路的加工影響。

很多不同類型的諧振結(jié)構(gòu)被用于測(cè)定電路材料Dk值，如分離柱介質(zhì)諧振器（SPDR）法、全板諧振（FSR）法和分離式圓柱形諧振器法等，這些都是IPC-TM-650 測(cè)量方法中定義的方法。SPDR測(cè)量將一個(gè)充滿空氣的諧振腔（空腔）與相同的裝有被測(cè)材料的腔體做比較，得出所測(cè)材料的Dk值。該方法的精度取決于材料厚度測(cè)量和諧振腔尺寸的準(zhǔn)確測(cè)量。

SPDR測(cè)定的是材料x-y平面上的Dk值，而非z軸方向上的Dk值。FSR測(cè)量使用了一塊帶有完整銅箔的材料，通過掃頻測(cè)量找到駐波或諧振峰獲得Dk值。被測(cè)的帶有完整銅箔的PCB板類似開口平行板波導(dǎo)的工作模式，進(jìn)而測(cè)量該材料板的長(zhǎng)度上的駐波。材料尺寸和諧振頻率能夠提供充足信息推導(dǎo)出材料在該諧振頻率下的Dk值。該方法適用于波長(zhǎng)長(zhǎng)、頻率低的應(yīng)用，但是在測(cè)定較薄材料時(shí)不夠準(zhǔn)確。

分離式圓柱形諧振器方法需要將一個(gè)被測(cè)材料樣品放在上下圓柱形諧振腔之間。圓柱形諧振腔的一半固定，另一半可以移動(dòng)，上下圓柱體之間有一個(gè)可調(diào)間隙，以適應(yīng)被測(cè)材料的不同厚度。在上下圓柱體的側(cè)孔中通過一個(gè)小的耦合環(huán)，測(cè)量與材料的x-y平面相切的電場(chǎng)，以測(cè)定Dk值。

基于電路的Dk測(cè)量方法在應(yīng)用和產(chǎn)生的結(jié)果方面也是不同的。這些方法可能取決于傳輸線電路或結(jié)構(gòu)的傳輸和反射特性的測(cè)量，或取決于諧振電路頻率和相位的測(cè)量。傳輸線類型包括微帶線、帶狀線和共面波導(dǎo)（CPW），而諧振電路包括環(huán)形諧振器以及將諧振器作為電路單元的帶通濾波器的結(jié)構(gòu)。

測(cè)量的精度取決于材料和電路物理尺寸的精確測(cè)量，例如傳輸線寬度、銅導(dǎo)體厚度以及介質(zhì)厚度等。這些測(cè)量在毫米波電路和結(jié)構(gòu)的尺寸上更具有挑戰(zhàn)性。介質(zhì)材料厚度的變化以及銅箔導(dǎo)體的粗糙度可能造成傳輸線上信號(hào)路徑的變化，這些變化在毫米波頻率下更加顯著，而且還會(huì)降低Dk測(cè)定精度。較光滑的銅箔導(dǎo)體會(huì)縮短傳輸線上信號(hào)傳輸路徑而得到不同的Dk測(cè)量值。電路的這些物理偏差對(duì)于諧振器類的電路Dk測(cè)量來說也非常重要，因?yàn)樵谥C振器電路中，頻率和相位的精確測(cè)量是至關(guān)重要的。

為了能測(cè)定電路材料的Dk值，很多測(cè)試方法被提出和驗(yàn)證。用同一種測(cè)試方法在不同時(shí)間測(cè)試同一個(gè)被測(cè)樣品材料，可以得到相同的Dk值；而對(duì)于使用不同的測(cè)試方法測(cè)量同一被測(cè)樣品會(huì)得到不同的Dk值。簡(jiǎn)單來說，測(cè)試電路和夾具的變化造成了Dk值變化。這種變化可以通過每次使用相同的測(cè)試方法來將Dk值變化最小化，但是該測(cè)試方法可能不支持提供感興趣的應(yīng)用（例如頻率）下的Dk值，例如在毫米波頻率下的值。更好地了解Dk測(cè)試方法和它的變化，雖然不可能找到完美的Dk測(cè)試，但是對(duì)于相關(guān)應(yīng)用，至少可以采用最佳Dk測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)定。

審核編輯：劉清