微波板材介電常數(shù)ε的測量方法
在應用微波傳輸線設計微波電路的過程中，印制板介電常數(shù)ε是影響其相關指標的重要因素，由于工作頻率、印制板制作過程中的誤差等因素的影響，介電常數(shù)ε往往并非廠商所給定的標稱值。而如果仿真過程中介電常數(shù)ε設置的不準確，就會使得仿真結(jié)果與實際制作得到的結(jié)果產(chǎn)生很大的偏差，嚴重影響設計一致性，增加設計及調(diào)試成本。因此，測定印制板的實際介電常數(shù)就成為設計微波傳輸線電路的首要問題。主要是以某型號頻譜分析儀中濾波器設計方法為例，提出了一種測量實際介電常數(shù)ε的方法———半波長法，根據(jù)半波長點處的匹配特性最佳的特點，利用EDA軟件與矢量網(wǎng)絡分析儀同時分析一段已知的傳輸線，通過修改ε值使得仿真得到的傳輸線特性與矢量網(wǎng)路分析儀測得的傳輸線特性一致，從而確定不同頻率點處所對應的實際介電常數(shù)值，使得仿真結(jié)果與實際工程制作后得到的結(jié)果基本一致，保證電路設計的可靠性及一致性。該方法已經(jīng)應用于實際工程中，有效解決了仿真與實際應用中濾波器等微波電路設計的差異性問題。
1、引言
介電常數(shù)反映了介質(zhì)的基本特性。它與物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、組成、密度等因素有關。測量介電常數(shù)的方法主要有正切網(wǎng)絡法、波導法、諧振腔法、基于有限元分析法、探針法、自由空間法等。其中波導法、諧振腔法屬于實驗室測量方法，要求具有相應的樣品采集技術(shù)。由于環(huán)境改變和對樣品的加工處理勢必會造成測量與真實值之間很難估計的偏差�；谟杏邢拊治龇�、探針法、自由空間法屬于實地測量方法，只能代表局部特征。介紹了測量實際節(jié)點常識的方法，能夠真實的反映介質(zhì)的實際介電常數(shù)值，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認為具有一定的工程應用意義。在利用微帶線或帶狀線進行微波網(wǎng)絡設計時，相關EDA軟件都會要求輸入印制板材的結(jié)構(gòu)信息及介質(zhì)的介電常數(shù)，以進行阻抗的分析及計算。
在實際工程應用中，往往會出現(xiàn)仿真與實測結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差。以1.2GHz和3.6GHz無源帶通濾波器為例，實測中心頻率向低端出現(xiàn)了不同程度的偏移，帶內(nèi)插入損耗和駐波等其他指標也出現(xiàn)了明顯的惡化。仿真和實測結(jié)果對比如表1所示。
表1 1.2GHz(ε=3.2)和3.6GHz(ε=3.2)無源帶通濾波器仿真與實測結(jié)果對比
出現(xiàn)以上惡化的原因有3種：
1)印制板介質(zhì)厚度的誤差。利用EDA軟件，介質(zhì)厚度在±5%的范圍內(nèi)變化的情況下進行仿真，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對表1中的相關因素影響不大。
2)制作工藝上的誤差，使微帶線或帶狀線的長、寬與仿真結(jié)果存在不同程度的差異。同樣在仿真時使微帶線或帶狀線的長、寬改變±5mil，經(jīng)仿真可發(fā)現(xiàn)上述的誤差對表1中的相關指標影響也不是很大。
3)改變印制板介電常數(shù)ε值，并進行仿真。結(jié)果表明，改變介電常數(shù)ε的大小，濾波器的中心頻率、差損及帶內(nèi)駐波都有較大范圍的變化。
由此看來，在設計微波集成電路時，板材介電常數(shù)ε是其中最重要的參數(shù)。無論是帶狀線或微帶線的特性阻抗、幅度衰減，或是由帶狀線或微帶線設計的微波電路的主要指標，如中心頻率、帶寬、差損等，都要受到介電常數(shù)ε的影響。因此在利用EDA軟件進行仿真時，首先要對印制板材的實際介電常數(shù)ε進行測量。
主要就以上問題進行了主要的闡述，并引入半波長法來測量介電常數(shù)ε的實際值。應用此方法可以測量印制板在不同頻率時的實際介電常數(shù)。這樣在進行仿真時將其測量結(jié)果輸入仿真軟件，就可以使仿真結(jié)果與實際中的測量結(jié)果相一致，減少設計實驗的重復性，以達到良好的設計效果。
上述方法對計算印制板實際介電常數(shù)ε提供了一種可行的途徑。使微波電路的設計仿真有了更可靠的參數(shù)依據(jù)。經(jīng)過試驗驗證，最終得到的濾波器與仿真結(jié)果基本一致，實現(xiàn)了理論與實踐的一致性，保證了設計的可靠性和穩(wěn)定性。
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