移動無線通信系統(tǒng)正朝著第五代（5G）通信技術邁進，并逐步向毫米波（mmWave）頻段發(fā)展。對于許多電路設計工程師而言，意味著要慎重考慮印刷電路板（PCB）材料的選擇，并了解它在毫米波頻率下的 5G 電路系統(tǒng)中的性能特征。這意味著許多高頻電路設計工程師，需要依靠線路板材料廠家提供的介電常數(shù)（Dk）測量值，來作為設計電路的基礎。但是，這些材料的 Dk 測量值可靠性如何呢？

IPC 等組織定義的標準化測試方法為測量材料 Dk 提供了行之有效的方法。實際上，IPC 有 12 種不同的方法來確定材料的 Dk 值（含導體或不含導體）。但是，這些方法存在一些變化量，導致某種材料計算出的 Dk 可能會發(fā)生偏差。比如線路板材料的 Dk 值通常具有各向異性，那么通過相同線路板材料的 x-y 平面確定的 Dk 與 z 軸或厚度方向確定的 Dk 是不同的。而且，線路板材料的 Dk 也與頻率相關，Dk 值隨頻率增加而降低。因此，在比較線路板材料的 Dk 值時，在相同的測試頻率和相同的材料方向或坐標軸上進行比較是非常重要的。使用相同的 Dk 測試方法，有助于它們進行更準確的對比，因為來自不同測試方法的結果可能會有所不同。

那么，哪個是正確的 Dk 值的測試方法？尤其是下一代電路的模型或設計，采用正確的 Dk 值十分關鍵。盡管測試方法具有可重復性，但相同線路板材料使用不同的測試方法結果也會有所不同。重要的是要理解為什么會發(fā)生這種情況，特別是用選定材料的 Dk 來設計和制造 24GHz 或者更高頻率的 5G 電路時更是如此。

用于確定被測材料（MUT）Dk 的測試方法包括直接測試原介質材料的方法，即是將原材料介質放入夾具中并用金屬導體將被測材料壓緊進行測試；也包括通過在某材料上加工具有鮮明特性的電路，對該電路測試來完成被測材料 Dk 的確定?；跍y試夾具的 Dk 測試方法，例如 IPC 標準 IPC-TM-650 2.5.5.5 Rev C 就是其中之一。該測試方法詳細介紹的夾緊式帶狀線測試方法，最大程度的減小了電路加工對材料 Dk 測試的影響，從而確定介質原材料的 Dk。在夾緊式帶狀線測試夾具中，是將兩塊原始介質材料夾在金屬電路層兩側，以形成帶狀線諧振器的。

盡管這種 Dk 測量方法試圖盡量消除加工過程對材料 Dk 的影響，但它仍然有一些其他的不可控性變量的影響，如在帶狀線諧振器兩側的被測材料的厚度變化。這種夾緊帶狀線的厚度是由測試夾具中間的諧振器厚度和兩側的被測材料的厚度共同構成。形成該帶狀線諧振器的厚度變化會影響該測試夾具確定的 Dk 值（該值往往是厚度范圍的平均值）。放置在測試夾具的材料的不均勻性也可能會導致空氣滯留在測試夾具中，從而影響 Dk 值。因為空氣的 Dk 值約為 1，空氣的存在會降低被測材料（MUT）的 Dk，空氣越多影響越大。

為了保持一致性和準確性，IPC 測試方法明確定義了測試夾具中使用的硬件類型，例如直徑 3.5 毫米的同軸電纜，N 型同軸連接器等。這種互連確保了儀器（VNA）和測試夾具在進行高頻測量時具有可重復性，但這種硬件類型也會設定一個頻率限制，不高于 12GHz。在較高的頻率下當然仍可以使用帶狀線測試夾具方法進行 Dk 測量，但是必須對硬件進行改進，包括待測材料（MUT）要更薄，和更小直徑的同軸電纜和連接器等等。還必須明確定義硬件的性能極限，例如插入損耗，相位精度和帶寬等，以確保此類 Dk 測量在高頻率下的一致性和準確性。

過程完善

基于電路的 Dk 測試方法是在待測材料（MUT）上設計某種參考電路，通過測試該電路的某些性能，從而用來確定材料在不同頻率下的 Dk。然而，在電路的加工過程中的一些變量，如微帶或接地共面波導(GCPW)的不同，會影響電路確定的 Dk 的準確性。例如，微帶環(huán)形諧振器通常用作確定 Dk 的電路設計（請參閱 ROG 的博客，“Searching for a Standard mmWave Dk Test Method”），因為特定的 Dk 和電路尺寸（例如環(huán)半徑）對應該材料上特定的諧振頻率。甚至可以用來確定材料的其他特性，如損耗或耗散因子（Df）。微帶環(huán)形諧振器可以在較低頻率下較準確的確定 Dk，但是隨著頻率的增加準確度就逐漸降低。

微帶傳輸線也可用作測試電路來測量和確定待測材料（MUT）的 Dk，它是利用微帶在不同介電材料上的傳播特性（例如相移）來確定的。但是由于在待測材料（MUT）上加工微帶線就存在諸多與制造工藝相關的變量，如導體的寬度、導體之間的間距以及介電材料的厚度等，因此最終 Dk 的精度受這些變化參數(shù)的影響。另外，沿著傳輸線傳播的電磁場部分在電介質材料中，部分在其周圍的空氣中，因此根據(jù)傳輸線的測量結果確定 Dk 時，需要考慮空氣中的電磁場量。

對于電路設計師來說，確定線路板材料 Dk 的準確、可重復的方法對毫米波頻段的研究和設計至關重要。幸運的是，對測量用電路（例如環(huán)形諧振器）的改進可以減少電路加工變化的影響，并提高在較高頻率下 Dk 的確定精度（請參見作者的 IPC 2020 演示文稿，“Measuring the Impact of Test Methods for High Frequency Circuit Materials”）。該演示文稿發(fā)布在羅杰斯官方網(wǎng)站技術支持中心主頁上：www.rogerscorp.com/techub。在微帶環(huán)形諧振器中使用邊緣耦合相比于間隙耦合可以提高 Dk 測量精度，并且使用 GCPW 饋線代替微帶可以減少基于微帶電路變化帶來的影響。

確定線路板材料 Dk 的測試方法很多，但是通過適當?shù)臏y量方法和充分考慮，在毫米波頻率范圍內，也可以可重復、精確的測量線路板材料的 Dk 值。

審核編輯黃宇