带状线法测量微波材料的复介电常数

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国电子科技集团公司第46 研究所 作者:张文喜

  精确测量低损耗微波材料的复介电常数十分重要。利用带状线法测量微波介质基板常温和变温的复介电常数,得到了高精度的测试结果。结果表明了用带状线法测量低损耗微波介质基板复介电常数的有效性和准确性。还分析了带状线测试方法中产生的误差和应该注意的事项。

引言

  电子产业正在向高频化,宽工作频带,高传输速度方向发展,该趋势促进了高频微波材料的发展,同时也对微波介质材料提出了更为苛刻的要求。众所周知在高频下电路信号的传输速度与介电常数有直接的关系,而信号的传输损失与介质损耗角正切成正比。这些都表明准确测量微波材料在高频下的介电常数和介质损耗角正切十分必要。

  介质材料的电磁参数测试方法主要分为网络参数法和谐振法。两种方法各有优缺点。网络参数法能测试高损耗材料的复介电常数且能实现连续扫频测试,此外测试夹具加工相对简单,成本较低。缺点是对低损耗材料的损耗测量精度不高。谐振法适用于低损耗材料复介电常数的测试,测试结果比较精确。但其测试频率受到腔体谐振频率的限制,若要实现宽频带的测试就要选用多模测试,并且相邻谐振模式间的频率间隔不能过大。在多模测量过程中容易受到杂模的干扰,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为这是谐振法在测试过程中的一大难点。

  采用带状线谐振法对低损耗覆铜板进行了复介电常数的常温和变温测试,得到高精度的结果,对测试中产生的误差进行了详细分析,提出了测试过程中应注意的事项。

1、实验部分

1.1、测试原理

  带状线是由两块相距为b 的接地板与中间宽度为W、厚度为t 的矩形截面导体带构成,如图1 所示。带状线谐振器是一段截断的带状线。在测量时,将样品放在封闭谐振腔电场最强处,利用样品放置前后对腔体电磁场结构的改变,通过测试腔体的品质因数及谐振频率变化从而得出材料的电磁参数。对样品进行测试时,在样品中传播的电磁波为TEM 波,即电磁场只分布在与传播方向垂直的横截面上,如图2 所示。它的截止波长λ = ∞,工作波长带状线法测量微波材料的复介电常数

带状线法测量微波材料的复介电常数

图1 带状线结构图

带状线法测量微波材料的复介电常数

图2 带状线谐振器内的电磁场分布

1.2、样品制备

  将覆铜板上的铜箔去掉或保留一面铜箔,得到一个均匀、表面光洁、平整的介质基板。将基板按照长度L = 50 ± 0. 5 mm,宽度L' = 30 ± 0. 5 mm 切割,得到两片尺寸相同的基板,然后把两片叠在一起,中间放一个薄金属导带,固定在样品架上。

1.3、测试系统

  测试系统方框图,如图3 所示。

带状线法测量微波材料的复介电常数

图3 测试系统方框图

3、误差分析及注意事项

3.1、误差分析

  (1) 带状线中金属导带两端口边缘场效应引起的有效增量不容易精确计算,同时由于试样实际尺寸的制约使得谐振半波数n 的数值不会正好是整数,需要通过数值修约规则修约,因而会影响相对介电常数的精确计算。

  (2) 金属导带长时间放置表面会被氧化,且不光滑都会使损耗增加。为了消除该误差每次制样时都对金属导带用砂纸打磨至光滑,且边缘整齐没有毛刺。

  (3) 当作变温实验时,由于热膨胀的存在有可能会使误差变得比较大,如样品的热膨胀使L 变长,这有可能导致测量结果的不准确。

  (4) 试样厚度测量不确定度引入的误差。标准规定样品厚度测量误差为0.02 mm,由于加工原因样品表面将凹凸不平,其表面粗糙度对测试误差的影响可归结为测试样品厚度的影响,若严格控制工艺仍在系统误差范围之内。

  (5) 试样表面与电磁波入射方向不垂直,有可能激起高次模,从而对测试造成一定误差,这可以认为是一个斜劈对理想放置的试样的微扰,通过微扰理论可以计算出这项误差。

  (6) 信号源频率不确定度会导致频率的误差,本文中所选测试仪器信号源频率准确度当作扩展不确定度1 × 10 -8。

3.2 注意事项

  (1) 由于该方法采用多模测量方式,容易受到杂模的干扰。如果样品尺寸处理不当就会在测试中出现高次型TE 和TM 模,为防止高次模的出现要求横向尺寸满足,

带状线法测量微波材料的复介电常数

  式中,b 为总样品厚度; W 为谐振导带宽度; a 为样品宽度。

  (2) 对不同硬度和平面度的基片施加的压力也不同,太大容易压碎基片,压力太小测量会出现较大误差。当压力增加S /3 牛顿( S 为基片面积,单位为mm2 ) 谐振频率降低量小于f0 × 5 × 10 -4,该压力则为正常压力。

  (3) 同轴线和带状线谐振器的中心导带基本保持在同一条直线上,且耦合度为弱耦合,通过式谐振电路谐振时耦合缝隙宽度约在0. 3 ~ 2 mm之间。

4、结语

  用带状线谐振法对介质基板复介电常数进行了测试,得到了较高精度的测试结果,并对测试过程中的误差进行了全面、系统的分析,提出了制样和测试过程中应该注意的问题。带状线法测量样品复介电常数,制样简便,测量精度高,是低损耗基板的有效测量方式。

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