毫米波段下谐振环测试基材介电常数的研究

朱泳名 葛 鹰 王 颖 魏 婷

（国家电子电路基材工程技术研究中心，广东 东莞 523808）

0 前言

随着通信技术的发展，毫米波段的频谱资源也开始被人们利用起来。在前期的4G或5G通信中，应用频率都还集中在Sub 6G以内，此时材料的介电常数（Dk）评估也都还相对比较简单。当到达毫米波段（＞30 GHz）时，原先的评估方法就出现了一系列的问题。文章从实际考察过程中遇到的问题出发，总结分析了毫米波段下谐振环Dk测试方法的可行性，并最终给出了解决方案建议。

1 谐振环测试原理

谐振环测试是通过让环形线路的周长等于二分之一波长来制造谐振，然后再通过谐振频率来反推Dk的一种方式。其中二分之一波长的线路长度指的是中心线长度，具体见图1所示。

通过谐振频率和实际测量中心线长度就可将Dkeff（等效Dk）计算出来，见式（1）所示。

再通过实际测量线宽和介质厚度即可计算出常用的DkDesign（设计Dk），见式（2）所示。

在式（1）和式（2）中：

n——谐振阶数

c——光速

fr——谐振频率

D——谐振环周长

h——基材厚度

w——谐振环线路宽度

理论上说，谐振环的两端开路是故意制造全反射点让信号叠加，从而实现良好的谐振，但实际毫米波段测试时出现的结果却并非如此。

2 实验考察

2.1 毫米波段谐振环测试所遇问题

在毫米波段对谐振环进行测试，测试情况见图2所示。

文章测试使用的主机为Keysight N5222加毫米波扩频模块以及Cascade BTS探针台进行。测试完成后发现在30 GHz往后的更高频段出现某几个频率点不出现谐振峰，有些频点的谐振峰又有很大的杂散峰干扰，实验结果见图3所示。

此次实验中，90 GH在以后频率的谐振峰完全消失，50 GHz左右频率受到的杂散峰会影响到最终取值的判断，这样一来会使得Dk无法评估或者错误评估。

2.2 不同谐振环毫米波段对比考察

根据实际遇到的问题再结合原理进行分析，发现谐振峰消失的主要原因是毫米波段本身波长较短且损耗会远远大于低频段；而出现杂散峰的原因是本身是带通类型的谐振环设计，在这么高的频率下如果出现了部分边缘耦合的情况则会产生影响谐振的杂散的峰。基于上述原因，本文做了两组实验，具体方案图形见图4所示。

（1）在原先方案上面增强耦合，以克服毫米波段损耗大的问题；

（2）改变原先带通耦合方案，做边缘耦合形式，让杂散峰的影响与谐振峰的谐振方向在同一方向，以规避杂散峰。

实际测量对比增强耦合设计与原始设计，边缘耦合设计与原始设计的结果分别见图5和图6所示。取全频段的测试谐振峰计算得到Dk值见表1所示。出边缘耦合方式的谐振环测试效果最佳。

表1 不同谐振环设计下的Dk结果表

根据实际结果可知，到了90 GHz以后的频段原始设计已经无法测试了；在其他频段范围内，三种设计的Dk最大极差在0.03以内，该极差包含了加工蚀刻等因素，也包含了材料本身的一致性波动，因此三种环之间的结果可以相互等效。边缘耦合形式谐振环收到的杂散峰影响最小，谐振效果最好。

3 总结

文章从实际问题出发去设计了三种不同形式的谐振环，分析了不同形式谐振环从低频一直到110 GHz毫米波段下的表现，最终发现三种环之间的测试结果几乎一致，但常规谐振环在到90 GHz以后谐振峰就会消失，从而无法进行Dk计算；边缘耦合形式的谐振环会有最好的测试效果，能够有效地同时解决杂散峰影响和高频段谐振消失的问题，可供覆铜板和印制板端进行材料测量和质量监控使用。

从图5可以看出，使用增强耦合设计的谐振环测试结果相比于原始设计来说谐振要清晰很多，在50 GHz左右杂散峰消失，在90 GHz以后原始设计消失的谐振峰也恢复了，但在100 GHz在以后还是有杂散峰的影响。而图6使用的边缘耦合型谐振环测试的结果几乎没有受到杂散峰的影响，而且在100 GHz以上也谐振清晰。由此可以明显地对比