精確測量低損耗微波材料的復(fù)介電常數(shù)十分重要。利用帶狀線法測量微波介質(zhì)基板常溫和變溫的復(fù)介電常數(shù)，得到了高精度的測試結(jié)果。結(jié)果表明了用帶狀線法測量低損耗微波介質(zhì)基板復(fù)介電常數(shù)的有效性和準(zhǔn)確性。還分析了帶狀線測試方法中產(chǎn)生的誤差和應(yīng)該注意的事項(xiàng)。

引言

　　電子產(chǎn)業(yè)正在向高頻化，寬工作頻帶，高傳輸速度方向發(fā)展，該趨勢促進(jìn)了高頻微波材料的發(fā)展，同時也對微波介質(zhì)材料提出了更為苛刻的要求。眾所周知在高頻下電路信號的傳輸速度與介電常數(shù)有直接的關(guān)系，而信號的傳輸損失與介質(zhì)損耗角正切成正比。這些都表明準(zhǔn)確測量微波材料在高頻下的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切十分必要。

　　介質(zhì)材料的電磁參數(shù)測試方法主要分為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法和諧振法。兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法能測試高損耗材料的復(fù)介電常數(shù)且能實(shí)現(xiàn)連續(xù)掃頻測試，此外測試夾具加工相對簡單，成本較低。缺點(diǎn)是對低損耗材料的損耗測量精度不高。諧振法適用于低損耗材料復(fù)介電常數(shù)的測試，測試結(jié)果比較精確。但其測試頻率受到腔體諧振頻率的限制，若要實(shí)現(xiàn)寬頻帶的測試就要選用多模測試，并且相鄰諧振模式間的頻率間隔不能過大。在多模測量過程中容易受到雜模的干擾，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為這是諧振法在測試過程中的一大難點(diǎn)。

　　采用帶狀線諧振法對低損耗覆銅板進(jìn)行了復(fù)介電常數(shù)的常溫和變溫測試，得到高精度的結(jié)果，對測試中產(chǎn)生的誤差進(jìn)行了詳細(xì)分析，提出了測試過程中應(yīng)注意的事項(xiàng)。

1、實(shí)驗(yàn)部分

1.1、測試原理

　　帶狀線是由兩塊相距為b 的接地板與中間寬度為W、厚度為t 的矩形截面導(dǎo)體帶構(gòu)成，如圖1 所示。帶狀線諧振器是一段截斷的帶狀線。在測量時，將樣品放在封閉諧振腔電場最強(qiáng)處，利用樣品放置前后對腔體電磁場結(jié)構(gòu)的改變，通過測試腔體的品質(zhì)因數(shù)及諧振頻率變化從而得出材料的電磁參數(shù)。對樣品進(jìn)行測試時，在樣品中傳播的電磁波為TEM 波，即電磁場只分布在與傳播方向垂直的橫截面上，如圖2 所示。它的截止波長λ = ∞，工作波長

圖1 帶狀線結(jié)構(gòu)圖

圖2 帶狀線諧振器內(nèi)的電磁場分布

1.2、樣品制備

　　將覆銅板上的銅箔去掉或保留一面銅箔，得到一個均勻、表面光潔、平整的介質(zhì)基板。將基板按照長度L = 50 ± 0. 5 mm，寬度L' = 30 ± 0. 5 mm 切割，得到兩片尺寸相同的基板，然后把兩片疊在一起，中間放一個薄金屬導(dǎo)帶，固定在樣品架上。

1.3、測試系統(tǒng)

　　測試系統(tǒng)方框圖，如圖3 所示。

圖3 測試系統(tǒng)方框圖

3、誤差分析及注意事項(xiàng)

3.1、誤差分析

　　(1) 帶狀線中金屬導(dǎo)帶兩端口邊緣場效應(yīng)引起的有效增量不容易精確計(jì)算，同時由于試樣實(shí)際尺寸的制約使得諧振半波數(shù)n 的數(shù)值不會正好是整數(shù)，需要通過數(shù)值修約規(guī)則修約，因而會影響相對介電常數(shù)的精確計(jì)算。

　　(2) 金屬導(dǎo)帶長時間放置表面會被氧化，且不光滑都會使損耗增加。為了消除該誤差每次制樣時都對金屬導(dǎo)帶用砂紙打磨至光滑，且邊緣整齊沒有毛刺。

　　(3) 當(dāng)作變溫實(shí)驗(yàn)時，由于熱膨脹的存在有可能會使誤差變得比較大，如樣品的熱膨脹使L 變長，這有可能導(dǎo)致測量結(jié)果的不準(zhǔn)確。

　　(4) 試樣厚度測量不確定度引入的誤差。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定樣品厚度測量誤差為0.02 mm，由于加工原因樣品表面將凹凸不平，其表面粗糙度對測試誤差的影響可歸結(jié)為測試樣品厚度的影響，若嚴(yán)格控制工藝仍在系統(tǒng)誤差范圍之內(nèi)。

　　(5) 試樣表面與電磁波入射方向不垂直，有可能激起高次模，從而對測試造成一定誤差，這可以認(rèn)為是一個斜劈對理想放置的試樣的微擾，通過微擾理論可以計(jì)算出這項(xiàng)誤差。

　　(6) 信號源頻率不確定度會導(dǎo)致頻率的誤差，本文中所選測試儀器信號源頻率準(zhǔn)確度當(dāng)作擴(kuò)展不確定度1 × 10 -8。

3.2 注意事項(xiàng)

　　(1) 由于該方法采用多模測量方式，容易受到雜模的干擾。如果樣品尺寸處理不當(dāng)就會在測試中出現(xiàn)高次型TE 和TM 模，為防止高次模的出現(xiàn)要求橫向尺寸滿足，

　　式中，b 為總樣品厚度; W 為諧振導(dǎo)帶寬度; a 為樣品寬度。

　　(2) 對不同硬度和平面度的基片施加的壓力也不同，太大容易壓碎基片，壓力太小測量會出現(xiàn)較大誤差。當(dāng)壓力增加S /3 牛頓( S 為基片面積，單位為mm2 ) 諧振頻率降低量小于f0 × 5 × 10 -4，該壓力則為正常壓力。

　　(3) 同軸線和帶狀線諧振器的中心導(dǎo)帶基本保持在同一條直線上，且耦合度為弱耦合，通過式諧振電路諧振時耦合縫隙寬度約在0. 3 ～ 2 mm之間。

4、結(jié)語

　　用帶狀線諧振法對介質(zhì)基板復(fù)介電常數(shù)進(jìn)行了測試，得到了較高精度的測試結(jié)果，并對測試過程中的誤差進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的分析，提出了制樣和測試過程中應(yīng)該注意的問題。帶狀線法測量樣品復(fù)介電常數(shù)，制樣簡便，測量精度高，是低損耗基板的有效測量方式。