微波板材介电常数ε的测量方法

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国电子科技集团公司第41研究所 作者:任水生

  在应用微波传输线设计微波电路的过程中,印制板介电常数ε是影响其相关指标的重要因素,由于工作频率、印制板制作过程中的误差等因素的影响,介电常数ε往往并非厂商所给定的标称值。而如果仿真过程中介电常数ε设置的不准确,就会使得仿真结果与实际制作得到的结果产生很大的偏差,严重影响设计一致性,增加设计及调试成本。因此,测定印制板的实际介电常数就成为设计微波传输线电路的首要问题。主要是以某型号频谱分析仪中滤波器设计方法为例,提出了一种测量实际介电常数ε的方法———半波长法,根据半波长点处的匹配特性最佳的特点,利用EDA软件与矢量网络分析仪同时分析一段已知的传输线,通过修改ε值使得仿真得到的传输线特性与矢量网路分析仪测得的传输线特性一致,从而确定不同频率点处所对应的实际介电常数值,使得仿真结果与实际工程制作后得到的结果基本一致,保证电路设计的可靠性及一致性。该方法已经应用于实际工程中,有效解决了仿真与实际应用中滤波器等微波电路设计的差异性问题。

1、引言

  介电常数反映了介质的基本特性。它与物质的结构、组成、密度等因素有关。测量介电常数的方法主要有正切网络法、波导法、谐振腔法、基于有限元分析法、探针法、自由空间法等。其中波导法、谐振腔法属于实验室测量方法,要求具有相应的样品采集技术。由于环境改变和对样品的加工处理势必会造成测量与真实值之间很难估计的偏差。基于有有限元分析法、探针法、自由空间法属于实地测量方法,只能代表局部特征。介绍了测量实际节点常识的方法,能够真实的反映介质的实际介电常数值,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为具有一定的工程应用意义。在利用微带线或带状线进行微波网络设计时,相关EDA软件都会要求输入印制板材的结构信息及介质的介电常数,以进行阻抗的分析及计算。

  在实际工程应用中,往往会出现仿真与实测结果出现较大的偏差。以1.2GHz和3.6GHz无源带通滤波器为例,实测中心频率向低端出现了不同程度的偏移,带内插入损耗和驻波等其他指标也出现了明显的恶化。仿真和实测结果对比如表1所示。

表1 1.2GHz(ε=3.2)和3.6GHz(ε=3.2)无源带通滤波器仿真与实测结果对比

1.2GHz(ε=3.2)和3.6GHz(ε=3.2)无源带通滤波器仿真与实测结果对比

  出现以上恶化的原因有3种:

  1)印制板介质厚度的误差。利用EDA软件,介质厚度在±5%的范围内变化的情况下进行仿真,结果发现对表1中的相关因素影响不大。

  2)制作工艺上的误差,使微带线或带状线的长、宽与仿真结果存在不同程度的差异。同样在仿真时使微带线或带状线的长、宽改变±5mil,经仿真可发现上述的误差对表1中的相关指标影响也不是很大。

  3)改变印制板介电常数ε值,并进行仿真。结果表明,改变介电常数ε的大小,滤波器的中心频率、差损及带内驻波都有较大范围的变化。

  由此看来,在设计微波集成电路时,板材介电常数ε是其中最重要的参数。无论是带状线或微带线的特性阻抗、幅度衰减,或是由带状线或微带线设计的微波电路的主要指标,如中心频率、带宽、差损等,都要受到介电常数ε的影响。因此在利用EDA软件进行仿真时,首先要对印制板材的实际介电常数ε进行测量。

  主要就以上问题进行了主要的阐述,并引入半波长法来测量介电常数ε的实际值。应用此方法可以测量印制板在不同频率时的实际介电常数。这样在进行仿真时将其测量结果输入仿真软件,就可以使仿真结果与实际中的测量结果相一致,减少设计实验的重复性,以达到良好的设计效果。

  上述方法对计算印制板实际介电常数ε提供了一种可行的途径。使微波电路的设计仿真有了更可靠的参数依据。经过试验验证,最终得到的滤波器与仿真结果基本一致,实现了理论与实践的一致性,保证了设计的可靠性和稳定性。

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