引言
近年來,隨著射頻微波技術(shù)的飛速發(fā)展,航空航天、通信技術(shù)與信息技術(shù)等高科技領(lǐng)域?qū)ι漕l微波元器件的要求也隨著提高,使得射頻微波材料在這些領(lǐng)域起到了越來越重要的作用。對于射頻微波材料來說,電磁波在其中的傳播完全由材料的電磁參數(shù)決定,在應(yīng)用各種射頻微波材料時,必須通過測試了解其電磁參數(shù)。在各種射頻微波器件,微波與毫米波集成電路底板等大量應(yīng)用射頻微波材料的領(lǐng)域,設(shè)計(jì)對象的研究和設(shè)計(jì)都需要準(zhǔn)確的材料電磁參數(shù)。
材料的電磁參數(shù)指復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率,其中主要集中于其介電特性的研究,有關(guān)材料磁特性的測量只占少數(shù),所以本文只討論復(fù)介電常數(shù)的測試。測量材料復(fù)介電常數(shù)的方法有很多,主要分為傳輸反射法和諧振腔體法。其中傳射反射法實(shí)質(zhì)是利用所測出的樣品的反射和傳射系數(shù)得到復(fù)介電常數(shù)或復(fù)磁導(dǎo)率,根據(jù)所用夾具的不同,又分為同軸空氣線法、波導(dǎo)法、自由空間法和同軸探頭法,同軸探頭法一般用來測量液體或者半固體例如粉末,被測件的損耗較大;同軸空氣線和波導(dǎo)法一般用來測量片狀固體或者粉末狀固體,被測物質(zhì)為損耗至低損,這兩種方法對被測件的機(jī)械加工能力要求都比較高,被測物質(zhì)的截面必須和空氣線或波導(dǎo)的軸線垂直,而且被測物質(zhì)與空氣線或波導(dǎo)之間最好是完全接觸,否則會產(chǎn)生一定的測量誤差;自由空間法一般是利用聚焦喇叭天線或者拱形門來完成測量,要求被測件是大的平面細(xì)狀固體,而且尺寸越大越好,最好是十個波長以上,特別適合于高溫物質(zhì)測量或者其他非接觸性物質(zhì)的測量。
而諧振腔體法的原理是將材料樣品放入封閉或者開放的諧振腔體中,根據(jù)放入前后其諧振頻率和品質(zhì)因子Q值的變化來確定樣品復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率,通常是將樣品置于諧振腔中電場最小磁場最大處測量樣品的復(fù)介電常數(shù),將樣品置于諧振腔中電場最小磁場最大處測量樣品的復(fù)磁導(dǎo)率。這種方法目前具有最高的測量精度,尤其適合于低損耗物質(zhì)的測量,缺點(diǎn)是無法支持寬帶的材料測量。
1 諧振腔腔體法的工作原理
諧振腔體通常具有很高的Q因子,并且在特定的頻率發(fā)生諧振。如果將一材料樣品放入腔體中,將會改變腔體的諧振頻率和品質(zhì)因子。通過這兩個參數(shù)值的變化,可以得到材料樣品的復(fù)介電常數(shù)或者復(fù)磁導(dǎo)率。腔體的種類有很多種,具體的實(shí)現(xiàn)方法也不少,這里以使用的比較廣泛的腔體微擾法為例,作個說明。此種方法已經(jīng)成為美國材料測試協(xié)會的一種標(biāo)準(zhǔn),方法號為ASTM2520。該方法使用的是兩端連有Iris耦合平板的矩形波導(dǎo),矩形波導(dǎo)腔體的主模為 ,具體測量時,如果材料樣品為介電特性,需把樣品置于腔體電場最大處,如果為磁性材料,則把樣品至于磁場最大處。如果矩形波導(dǎo)腔體在波長中間處開了一小孔,則半波長的奇數(shù)倍將對于于最大電場,半波長的偶數(shù)倍對應(yīng)于最大磁場。
其中Er‘為樣品相對介電常數(shù)的實(shí)部,Er’‘為樣品相對介電常數(shù)的虛部,fc為空腔體的諧振頻率,fs為腔體加入樣品后的諧振頻率,Qc為空腔體的品質(zhì)因子,Qs為腔體加入樣品后的品質(zhì)因子, Vc為空腔體的體積,Vs為樣品的體積。
2 分裂圓柱體諧振腔體的介紹
盡管基于ASTM2520的腔體微擾法原理簡單,但是由于直接的腔體不多,通常需要經(jīng)過矩形波導(dǎo)和Iris耦合平板重新加工后得到,并且這種矩形波導(dǎo)腔體的品質(zhì)因子也不是很高,這樣的話在測量低損耗物質(zhì)時會存在一定的限制。
基于這種情況,安捷倫公司推出了一種圓柱體的諧振腔體,型號為85072A。這個諧振腔體由左右各半個圓柱體腔體構(gòu)成,樣品放在兩個半圓柱體之間,一個半圓柱體腔體是固定的,另一個半圓柱體腔體可以根據(jù)樣品的厚度來調(diào)整兩個半圓柱體腔體之間的間隙。為了得到TE0np主模,在每個半圓柱體腔體的側(cè)面通過打孔連到一個小的耦合環(huán)。在這個圓柱體諧振腔體中,電場方向平行于樣品的截面,垂直于圓柱體腔體的軸線。為了得到最高的靈敏度,樣品需要放置在電場最大處,由于圓柱體本身的對稱性,腔體工作在TE0np模式時電場具有最大的強(qiáng)度(其中p是半波長的數(shù)目,為奇數(shù))。
當(dāng)把樣品放置在兩個半圓柱體腔體之間時,圓柱體腔體的諧振頻率會發(fā)生偏移,并且往往是比空腔體時的諧振頻率低。諧振頻率的偏移程度取決于相對介電常數(shù)的實(shí)部和樣品的厚度,通過改變樣品的厚度,可以得到特定的測量頻率,當(dāng)然也有可能頻率偏移至一定程度后,受到其他非TE模式的干擾信號,造成測量精度降低,這時候只能通過再次增加或減少樣品的厚度來減少其他干擾模式。圖1列出了樣品諧振頻率、相對介電常數(shù)和樣品厚度之間的關(guān)系。
圖1 樣品諧振頻率、相對介電常數(shù)和樣品厚度的關(guān)系
當(dāng)材料樣品放入兩個半圓柱體腔體之間時,分裂圓柱體腔體的品質(zhì)因子,或者Q因子會降低,降低的程度取決于樣品的損耗正切和厚度。厚的樣品或者損耗較大的樣品都會使得品質(zhì)因子下降太快,從而導(dǎo)致諧振腔體無法正常工作,完成不了測量,將材料樣品變薄可以增加品質(zhì)因子,但某些物質(zhì)損耗太大,樣品變薄也不一定能使腔體正常工作,因此我們一般建議分裂圓柱體測量低損耗物質(zhì),Er’《=10E-2。
需要說明的是,這款諧振腔體85072A遵循IPC測試規(guī)范TM-650 2.5.5.13。
3 諧振腔體法的具體測量過程
在進(jìn)行測量之前,先逆時針粗調(diào)旋轉(zhuǎn)游標(biāo)卡尺,使得游標(biāo)卡尺一側(cè)的半圓柱體腔體盡量靠近左邊固定住的半圓柱體腔體,然后細(xì)調(diào)游標(biāo)卡尺,使得兩個半圓柱體腔體緊緊連在一起,又不會擠壞,這個時候把游標(biāo)卡尺的讀數(shù)置零。之后,調(diào)節(jié)腔體上方的前后兩個旋鈕盤,可以通過調(diào)整跟腔體相連的耦合環(huán)來改變腔體內(nèi)的耦合強(qiáng)度,最開始時只需把跟耦合環(huán)上的螺栓調(diào)到中心刻度就可以了。
這次測量所采用的儀表是安捷倫公司的PNA系列微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E8363C,頻率范圍從10 MHz至40 GHz。啟動E8363C后,設(shè)置測量頻率范圍為10 GHz-10.06 GHz,測量S21,設(shè)定Scale為Autoscale。在矢網(wǎng)E8363C的測量界面將出現(xiàn)一諧振峰值,調(diào)節(jié)腔體上方的兩個旋鈕盤,使得峰值在-55dB和-65dB之間,建議為-60dB。
安捷倫提供了一型號為85071E的材料測量軟件,這個軟件可以單獨(dú)運(yùn)行在基于Windows XP系統(tǒng)的E836C上,也可以運(yùn)行在外部電腦上,然后外部電腦可以通過USB/GPIB卡 82357或者網(wǎng)線控制矢網(wǎng)E8363C完成相關(guān)測量。
這個腔體測量軟件簡單易用,首先是對空腔體進(jìn)行測量,會得到空腔體的諧振頻率和品質(zhì)因子,諧振頻率應(yīng)該在10 GHz和10.06 GHz之間,品質(zhì)因子為20000以上。點(diǎn)擊測量后,S21的峰值應(yīng)該在-55dB和-65dB之間,一般取-60dB,所以如果遠(yuǎn)離這個范圍,會出來如圖5所示的消息對話框,提示我們順時針或逆時針調(diào)節(jié)腔體上的旋鈕盤,使得S21的峰值達(dá)到-60dB,當(dāng)箭頭指示符消失時,說明已經(jīng)調(diào)節(jié)好了,結(jié)果顯示如圖4所示。
本例中所測量的材料為一塊狀聚四氟乙烯,厚度可用85072A腔體自帶的游標(biāo)卡尺方便的測出,為1.533mm,游標(biāo)卡尺的精度可達(dá)0.001mm。對于85072A諧振腔體來說,要求被測樣品表面是平的,長、寬大于5.6cm,厚度介于0.05mm和5mm之間。
最后,點(diǎn)擊測量后,就可以得到插入樣品后的諧振腔體的諧振頻率以及品質(zhì)因子,然后軟件就會自動算出樣品的相對介電常數(shù)的實(shí)部和虛部,以及損耗正切,從圖4中我們可以得到聚四氟乙烯的相對介電常數(shù)實(shí)部Er‘=2.04773,虛部Er’‘=0.00056,損耗正切l(wèi)oss tan gent=0.00027。可以看出來,85072A諧振腔體的測量精度很高,一般來說,針對TE011主模,Er’的精度為1%,損耗正切的精度為0.0001。
圖2 帶有游標(biāo)卡尺的85072A諧振腔體 圖5 提示調(diào)節(jié)旋鈕盤
4 結(jié)論
本文介紹了一種全新的分裂圓柱體諧振腔體,并且以聚四氟乙烯的測量為例,詳細(xì)介紹了采用這種腔體完成介質(zhì)材料測試的具體過程。此項(xiàng)方法操作簡單、精度高, 的精度為1%,損耗正切的精度為0.0001,最適合于襯底、薄膜、PCB等材料的測量,并且遵循IPC測試規(guī)范TM-650 2.5.5.13。
圖3 基于矢網(wǎng)E8363C的85072A腔體測量設(shè)置
圖4 基于85071E材料測量軟件的測量結(jié)果
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