20GHz～40GHz微波介质基板带状线法介电性能测试研究

刘兆枫 刘国龙 董彦辉

（中国电子科技集团公司 第四十六研究所，天津 300220）

1 引言

随着电子信息领域的高速发展，电子元器件及通信终端等产品逐渐向高频、高速化发展，使其对高频微波介质基板材料提出了更高的要求[1]-[4]。如何对其介电性能进行准确的测试，是目前亟待解决的重要问题[5]-[7]。国际上，测试微波介质基板介电性能参数的方法通常是采用IPCTM-650 2.5.5.5[8]。但该方法限定其测试频率在X波段即8～12 GHz；国标中相似的测试方法为GB/T 12636-1990《 微波介质基片复介电常数（带状线法）》[9]，该方法限定测试频率为1～20GHz，对于20GHz以上，电子科技大学有设备可以采用该方法进行介电性能测试，但其测试结果准确性并未有相关报导。对于20GHz以上的介电性能测试还有介质谐振器法和TE01δ测试腔法，其中，介质谐振器法受测试探针直径的影响，只可对厚度在3 mm以上的样品进行测试，对于通常厚度为0.25 mm～1.52 mm的微波介质基板样品，需要叠加来进行测试，很容易引进样品间空隙带来的测试误差，同时其测试频点也受样品尺寸和介电常数的影响，一般在20GHz以上能够测试的频点只有1～3个；TE01δ法的测试腔作为高Q值测试腔，有测试20～40GHz微波介质基板的能力，但该方法在进行高频测试时，对样品的尺寸有要求，样品直径需在3.2 mm～8 mm之间，厚度在1.1 mm～2.3 mm之间。同时样品尺寸带来的误差较大，对样品加工精度要求也较高。

本文主要是研究20～40GHz微波介质基板带状线法测试介电常数、介质损耗、介电常数温度系数测试结果的准确性，并对同一种样品RT duroid 5880采用带状线法、介质谐振器法、TE01δ测试腔法进行测试，对其结果进行了比较和分析。

2 带状线法测试介电常数及介电常数温度系数原理

2.1 相对介电常数测试原理

带状线谐振器是在尺寸相同的两片介质基片的中间位置夹持一片薄的金属铜箔导带，然后在上下压上导电良好的金属板，形成两端开路的带状线，并在其传播方向上进行微波信号的耦合，形成耦合回路，如图1所示。

图1 带状线谐振器示意图

测试时，激发带状线谐振器产生谐振，并通过测试TEM模各谐振峰的谐振频率f和品质因数Q，结合谐振器的长度、厚度，金属导带的宽度、厚度，以及金属接地板的电阻率等参数，计算出介质基材在不同频率下的相对介电常数和介质损耗。

2.2 介电常数温度系数测试原理

介电常数热系数按公式（1）计算。

式中：

3 实验设计

3.1 测试系统组成

如图2所示，为带状线谐振器变温测试系统组成，包括带状线测试夹具、温度控制系统、高频耦合探针，加压测压装置、矢量网络分析仪和控制电脑等。

图2 带状线谐振器测试系统框图

待测样品固定在夹具之间，并整体置于温控系统中，通过加压装置对带状线谐振器施压，以排除谐振器中的空气，测试时由网络分析仪通过高频耦合探针激发谐振器产生谐振，最终测试结果由计算机求出。

矢量网络分析仪选用安捷伦N5230C，系统由中国电子科技集团公司第四十六研究所研制。

3.2 实验内容

采用三套不同的介电性能测试系统：中国电子科技集团公司第四十六研究所研制的1～40GHz带状线高低温介电性能测试系统；波兰QWED公司的TE01δ测试腔法；电子科技大学的介质谐振器法，对RT duroid 5880介电常数及介质损耗进行测试，以比对不同测试方法测试结果的差异性。

4 试验结果和分析

4.1 带状线测试结果

采用1～40GHz带状线测试RT duroid 5880介电常数如图3所示，其全频段介电常数测试结果介于2.20～2.21之间，结果均匀性较好，介质损耗结果如图4所示，损耗不同频点间差距较大，不同频点采用相同的测试条件（统一调节为-48±0.5 dB耦合量），低于20GHz测试结果偏离的频点相对较少，当高于20GHz介质损耗偏离频点逐渐增多。

图3 RT duroid 5880介电常数测试结果

图4 RT duroid 5880介质损耗测试结果

4.2 TE01δ测试腔法测试结果

受腔体对样品尺寸大小的要求及样品本身介电性能的影响，TE01δ测试腔法对于RT duroid 5880只能测试部分频段：17.2～20.8 GHz及36.7～38.7 GHz，可以通过改变样品尺寸来获得不同频点的介电性能测试值，其中介电常数结果如图3所示，其介电常数测试结果介于2.19～2.21之间，结果均匀性较好，与带状线方法测试结果一致性较好。介质损耗结果如图4所示，由测试结果来看，在相对测试频段的介质损耗均匀性及一致性要优于带状线法,这是由于TE01δ法的测试腔属于高Q值测试腔，受样品尺寸测试误差影响较小。

4.3 介质谐振器法测试结果

受腔体对样品尺寸的要求及样品本身介电性能的影响，介质谐振器法可以测试的频点较TE01δ测试腔法更少，测试结果如表1所示。介电常数测试结果介于2.19～2.23之间，与带状线法和TE01δ测试腔法的结果偏差并不大，但是介质损耗与带状线法和TE01δ测试腔法的结果相比偏差较大，这可能是因为介质谐振器法测试样品采用叠加的方式进行测试，样品间存在的空隙引起介质损耗的增大。

5 结论

经研究表明，对于微波介质基板介电性能的测试，采用带状线法对于20～40GHz介电常数结果与TE01δ谐振腔法和介质谐振器法具有较好的一致性，该方法对于介电常数可以实现1～40GHz全范围的测试，TE01δ谐振腔法和介质谐振器法只能进行部分频段的测试，同时由于介电常数温度系数只与介电常数与温度有关系，所以介电常数温度系数也可以采用带状线方法进行全范围测试。对于介质损耗的测试，三种方法中，介质谐振器法偏差最大，TE01δ谐振腔法较为准确，采用带状线法测试结果较TE01δ谐振腔法还存在一定的误差，有待进一步研究改善测试系统，通过优化系统和提高Q值，以进一步提高20～40GHz介质损耗测试的准确性。

表1 RT duroid 5880介电常数、介质损耗测试结果-介质谐振器法