一．材料測(cè)試介紹

我們生活的世界都是由物質(zhì)組成的，每一種物質(zhì)都有其獨(dú)特的特性。而在電子設(shè)計(jì)以及測(cè)量領(lǐng)域，研究者或者工程師們更多地是關(guān)注每一種材料其獨(dú)特的電磁特性，也即物質(zhì)與外加電場(chǎng)或磁場(chǎng)相互作用的介電特性或者介磁特性。很多時(shí)候，材料電磁特性的好壞，直接影響到成品或最終產(chǎn)品的性能高低，正所謂“巧婦難為無(wú)米之炊”。精確地測(cè)量材料性能，可以為研究者和工程師提供更有價(jià)值的信息，以便將材料正確地應(yīng)用在預(yù)期的場(chǎng)景中，來(lái)實(shí)現(xiàn)更符合預(yù)期的設(shè)計(jì)，或者檢測(cè)制造工藝從而控制產(chǎn)品的質(zhì)量等。材料的電磁特性測(cè)量可以對(duì)許多電子應(yīng)用提供關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)信息。例如，電纜的損耗，基板的阻抗等。人們還發(fā)現(xiàn)，在航空航天，汽車電子，食品安全以及醫(yī)療行業(yè)的最新應(yīng)用也得益于對(duì)材料電磁特性的準(zhǔn)確了解。

所謂材料的電磁特性測(cè)量，主要包括介電材料和磁性材料的測(cè)試，常用的參數(shù)包括介電常數(shù)如’，”，損耗角正切tanδ ，磁導(dǎo)率如’ , ” 等。當(dāng)然，大部分的測(cè)試都需要滿足一定的規(guī)范要求，目前流行的規(guī)范要求主要有IPC(主要針對(duì)電路板行業(yè))的標(biāo)準(zhǔn)和ASTM（美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)）的標(biāo)準(zhǔn)等。

圖1. 介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的定義

如果一種材料在施加外部電場(chǎng)時(shí)能夠儲(chǔ)存能量，則該材料被歸類為“電介質(zhì)”。而介電常數(shù)就是用來(lái)描述電介質(zhì)與外加電場(chǎng)之間相互作用的物理參數(shù)。我們通常說(shuō)的介電常數(shù)指的是相對(duì)介電常數(shù)，或者是絕對(duì)介電常數(shù)相對(duì)于自由空間介電常數(shù)之比，如圖1所示。介電常數(shù)是一個(gè)復(fù)數(shù)，實(shí)部’是衡量材料中儲(chǔ)存外部電場(chǎng)能量的表征；虛部”則是衡量材料對(duì)外部電場(chǎng)的耗散程度。而當(dāng)用矢量圖來(lái)描繪復(fù)介電常數(shù)的時(shí)候，如圖2所示。介電常數(shù)與實(shí)軸’夾角的正切值就是我們經(jīng)常提到的介質(zhì)的損耗角正切或者耗散因子。我們通常說(shuō)的Dk值就是復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部’，Df則是指損耗角正切。

圖2. 損耗角正切定義

而磁性材料一般利用磁導(dǎo)率來(lái)衡量其與外加磁場(chǎng)相互作用的能力。同介電常數(shù)一樣，我們一般說(shuō)的磁導(dǎo)率也是復(fù)數(shù)，指的是相對(duì)磁導(dǎo)率的大小。實(shí)部’表征材料和外加磁場(chǎng)之間作用時(shí)儲(chǔ)能的大小，虛部”表征耗能大小，如圖1所示。同樣磁性材料的損耗角正切的定義也是復(fù)磁導(dǎo)率虛部與實(shí)部之比。

材料的電磁特性測(cè)量對(duì)于各種工業(yè)的應(yīng)用是非常重要的。是德科技可以提供用于材料介電特性，磁導(dǎo)率測(cè)量的全套解決方案，包括測(cè)試儀表、夾具及測(cè)量分析軟件。其中測(cè)試儀表根據(jù)頻率以及被測(cè)材料特性的不同，可以選擇阻抗分析儀或者網(wǎng)絡(luò)分析儀；同樣對(duì)于材料測(cè)試夾具，是德科技也提供多種不同的解決方案，包括同軸探頭、同軸/波導(dǎo)傳輸線，平行板法，諧振腔法等；而是德科技N1500A材料測(cè)試軟件則可以提供多種材料測(cè)試方法的軟件操作控制測(cè)量界面，極大地方便了以及豐富了客戶的不同需求。

二．材料測(cè)試方法概述

是德科技能夠提供多種材料測(cè)試整體方案，那么究竟要選擇哪種測(cè)試方案呢？則需要根據(jù)不同的需求來(lái)綜合考量。

在選擇測(cè)試方法時(shí)，需要考慮如下問(wèn)題：

頻率范圍

測(cè)試參數(shù)

測(cè)試精度

材料特性（例如，是否均勻）

材料的形態(tài)（例如，液體，粉末，固體，片狀平面材料等）

樣品尺寸的限制

測(cè)試方法是否對(duì)材料產(chǎn)生破壞

測(cè)試方法是否接觸材料

測(cè)試溫度

成本

那么下面，就詳細(xì)列舉是德科技不同的材料測(cè)試方案。

三．是德科技材料測(cè)試方案

1. 平行板法

頻率范圍：20Hz~1GHz

測(cè)試參數(shù)：介電常數(shù)

參考精度：’: ，tanδ：

樣品要求：片狀樣品，厚度均勻已知；搭配夾具16452A可以測(cè)試液體。

當(dāng)測(cè)試頻率小于1GHz的時(shí)候，平行板法不失為一種簡(jiǎn)單，方便，性價(jià)比高的測(cè)試方案。平行板法，在ASTM標(biāo)準(zhǔn)D150中又被叫做三端法，需要將片狀被測(cè)材料夾在兩個(gè)電極中或者將液體材料注入到平行板容器中從而形成一個(gè)電容器，使用阻抗分析儀測(cè)得電容的大小進(jìn)而計(jì)算出材料的介電常數(shù)以及損耗等參數(shù)，如圖3所示。

圖3. 平行板法測(cè)介電常數(shù)原理

平行板法完整的方案需要利用阻抗分析儀來(lái)測(cè)量阻抗值，利用材料測(cè)試軟件完成介電常數(shù)以及損耗等參數(shù)的計(jì)算和讀取，以及根據(jù)被測(cè)材料的不同特性來(lái)選擇測(cè)試夾具。是德科技能夠提供不同頻率覆蓋，不同被測(cè)材料特性的完整平行板法方案，詳述如下。

當(dāng)測(cè)試頻率為20Hz~30MHz時(shí)，可以選用是德科技E4990A阻抗分析儀，以及平行板法測(cè)試夾具16451A，搭配N1500A材料測(cè)試軟件，就可以測(cè)試材料的介電常數(shù)等參數(shù)，如圖4所示。

圖4. 阻抗儀E4990A與16451B利用平行板法測(cè)介電材料

同樣搭配液體測(cè)試夾具16452A，則可以方便地測(cè)試液體的介電特性，如圖5所示。

圖5. 阻抗儀E4990A與16452A利用平行板法測(cè)液體介電特性

當(dāng)測(cè)試頻率介于1MHz~1GHz時(shí)，則可以選擇是德科技E4991B阻抗分析儀，以及平行板法材料測(cè)試夾具16453A，同樣搭配N1500A材料測(cè)試軟件，可以測(cè)試片狀材料的介電常數(shù)等，如圖6所示。

圖6. 阻抗儀E4991B與16453A利用平行板法測(cè)片狀材料

是德科技提供完整的平行板法測(cè)試方案，下面給出一些具體的參考配置。

平行板法測(cè)試材料方案總結(jié)：

平行板法的優(yōu)勢(shì)有適合平板材料，薄膜材料；整體方案價(jià)格經(jīng)濟(jì)；精度較高；操作簡(jiǎn)單等。但是該方法測(cè)試頻率最高只到1GHz，且不支持磁性材料的測(cè)試。

2.電感法：

l頻率范圍：1kHz~1GHz

l測(cè)試參數(shù)：磁導(dǎo)率

l 參考精度：: ，tanδ：

l樣品要求：磁環(huán)材料

磁性材料磁導(dǎo)率的測(cè)試可以利用電感法得出：在環(huán)形磁芯周圍纏繞一些導(dǎo)線，并測(cè)量得到導(dǎo)線兩端的電感量，從而得出相對(duì)磁導(dǎo)率。是德科技16454A正是利用這一原理，當(dāng)將磁性材料（被測(cè)磁環(huán)）放入其中，16454A就形成了一個(gè)單匝電感，利用阻抗分析儀來(lái)測(cè)出其電感量以及電阻值等阻抗參數(shù)，最終可以計(jì)算出磁導(dǎo)率以及損耗角正切等參數(shù)值，如圖7所示。

圖7. 16454A 電感法測(cè)磁導(dǎo)率原理

是德科技電感法測(cè)試磁導(dǎo)率完整方案，包括阻抗分析儀，磁導(dǎo)率測(cè)試夾具16454A以及材料測(cè)試軟件N1500A。下面就列出不同頻率下不同的電感法測(cè)磁導(dǎo)率方案。

當(dāng)測(cè)試頻率為1kHz~120MHz時(shí)，磁導(dǎo)率測(cè)試夾具16454A可以搭配是德科技E4990A阻抗分析儀，以及42942A 測(cè)試座和N1500A來(lái)完成磁導(dǎo)率的測(cè)試，如圖8所示。

圖8. E4990A搭配 16454A 進(jìn)行磁導(dǎo)率測(cè)試

當(dāng)測(cè)試頻率為1MHz~1GHz時(shí)，則磁導(dǎo)率測(cè)試夾具16454A可搭配是德科技更高頻率阻抗分析儀E4991B以及N1500A來(lái)進(jìn)行磁導(dǎo)率的測(cè)試，如圖9所示。

圖9. E4991B搭配16454A進(jìn)行磁導(dǎo)率測(cè)試

是德科技電感法測(cè)試磁導(dǎo)率兩種典型參考配置如下。

基于E4990A的低頻參考配置方案（1KHz-120MHz）

基于E4991B的參考配置方案（1MHz-1GHz）

電感法測(cè)試材料方案總結(jié)：

電感法的優(yōu)勢(shì)有整體方案價(jià)格經(jīng)濟(jì)；精度較高；操作簡(jiǎn)單等。但該方法測(cè)試頻率不夠高，且僅支持磁性材料的測(cè)試。

3，同軸探頭法

頻率范圍：200MHz~50GHz（搭配網(wǎng)絡(luò)分析儀）；10MHz-3GHz（搭配阻抗儀）

測(cè)試參數(shù)：介電常數(shù)

參考精度：’: ，tanδ：

樣品要求：表面平整的固體，液體或者粉末材料；要求厚度>；不適合 ’太大以及tanδ太小的材料。

同軸探頭法可以測(cè)試表面光滑且厚度較高的片狀固體材料，液體材料，粉末材料等。該測(cè)試方法利用開(kāi)路式的同軸探頭，測(cè)試時(shí)將探頭浸入到液體或者接觸光滑固體平面，高頻信號(hào)將入射在探頭與被測(cè)材料的接觸面，在這一界面上，高頻信號(hào)的反射特性S11 將會(huì)因?yàn)椴牧系慕殡姵?shù)而發(fā)生變化，如圖10所示。這時(shí)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得S11，再計(jì)算出被測(cè)材料的介電常數(shù)與損耗角正切等參數(shù)。

圖10. 同軸探頭法測(cè)試原理

是德科技同軸探頭主要有如圖11所示的三種。分別是纖細(xì)探頭，適合液體和粉末測(cè)試；高性能探頭，適合厚度較高的固體以及液體測(cè)試；以及高溫探頭，能夠在–40°C至+200°C的范圍內(nèi)測(cè)試被測(cè)材料的介電特性。其中的高溫探頭如果配合阻抗分析儀E4991B，低頻可以拓展到10MHz。

圖11. 是德科技同軸探頭分類

在200MHz~50GHz頻率范圍內(nèi)，同軸探頭法測(cè)試系統(tǒng)包括同軸探頭，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀以及材料測(cè)試軟件，如圖12所示。

圖12. 同軸探頭法配合網(wǎng)絡(luò)儀測(cè)試液體材料介電特性

而在10MHz~3GHz的頻率范圍內(nèi)，是德科技同軸探頭還可以搭配阻抗分析儀E4991B以及測(cè)試軟件來(lái)完成低頻的材料測(cè)試功能覆蓋。是德科技可以提供完整的同軸探頭法方案，參考配置如下。

同軸探頭法測(cè)試方案總結(jié)：

同軸探頭法的優(yōu)勢(shì)有覆蓋頻率范圍寬；適合固體，液體，半固體材料的測(cè)試；易于使用，只需壓在固體材料表面或浸沒(méi)在液體中即可；對(duì)被測(cè)材料無(wú)破壞等。但該方法不適合‘ 太大以及tanδ太小的材料；并且對(duì)被測(cè)材料厚度有一定的要求，要求厚度>（單位mm）；固體材料要求表面要足夠平整光滑；測(cè)試精度有限且不能測(cè)試磁性材料。

4. 傳輸線法

頻率范圍：100MHz~110GHz

測(cè)試參數(shù)：介電常數(shù)，磁導(dǎo)率

參考精度：’: ，tanδ：

樣品要求：可以進(jìn)行機(jī)械加工尺寸形狀的樣品 (環(huán)狀或者矩形塊狀)；表面光滑，并且兩個(gè)端面與傳輸線的軸線垂直；樣品長(zhǎng)度和測(cè)試頻率相關(guān)。

傳輸線法是將被測(cè)材料置于封閉傳輸線中，傳輸線可以是同軸傳輸線或者矩形波導(dǎo)。通過(guò)利用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試高頻信號(hào)激勵(lì)下傳輸線的反射特性S11和傳輸特性S21，從而得到材料的介電常數(shù)以及磁導(dǎo)率等結(jié)果，如圖13所示。

圖13. 傳輸線法測(cè)試介電常數(shù)和磁導(dǎo)率原理

同軸傳輸線可以覆蓋18GHz以下的比較寬的頻率范圍，但是環(huán)狀樣品制作相對(duì)困難；波導(dǎo)傳輸線可以將測(cè)試頻率延伸至毫米波波段，且矩形樣品比較容易加工，但是由于波導(dǎo)傳輸線本身的頻率覆蓋都是分段的，所以利用波導(dǎo)傳輸線測(cè)試材料的頻率覆蓋也都是分段的。同軸傳輸線，波導(dǎo)傳輸線以及樣品加工形狀的實(shí)物圖如圖14所示。

圖14. 傳輸線實(shí)物圖

傳輸線法測(cè)試材料總體需要傳輸線夾具，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀以及材料測(cè)試軟件。是德科技能夠提供完整的傳輸線法測(cè)試方案，參考配置如下。

傳輸線法測(cè)材料總結(jié)：

傳輸線法的優(yōu)勢(shì)有覆蓋頻率范圍寬；夾具相對(duì)簡(jiǎn)單且可以有多種傳輸線可選；可以測(cè)試介電材料和磁性材料。但該方法需要材料能夠被機(jī)械加工成需要的尺寸，且材料尺寸的加工精度直接影響測(cè)試結(jié)果；并且不適合低損耗材料，液體材料以及薄膜材料等的測(cè)試；波導(dǎo)傳輸線的測(cè)試結(jié)果只能覆蓋一段頻率范圍等。

5. 自由空間法

頻率范圍：5GHz~330GHz

測(cè)試參數(shù)：介電常數(shù)，磁導(dǎo)率

參考精度：’: ，tanδ：

樣品要求：扁平狀樣品，通常低頻時(shí)需要大尺寸平面，平坦，均勻，厚度已知

自由空間法利用天線將微波能量聚集或者穿過(guò)被測(cè)材料，這種測(cè)試方法將被測(cè)材料置于天線之間，通過(guò)測(cè)量傳輸S21或者反射S11的高頻信號(hào)得到材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，如圖15所示。

圖15. 自由空間法測(cè)試示意圖

自由空間法測(cè)量需要精確測(cè)量高頻信號(hào)通過(guò)樣品的反射以及傳輸特性，但是樣品邊緣的反射以及天線之間的多次剩余反射都會(huì)影響測(cè)量的精度，所以校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀在自由空間法測(cè)試材料中是一項(xiàng)有挑戰(zhàn)性的工作。一般可以采用TRL(直通,反射以及傳輸線)的校準(zhǔn)方式。是德科技N1500A提供的 GRL(時(shí)間門,反射以及傳輸線)校準(zhǔn)方式，將測(cè)試端口校準(zhǔn)到自由空間平板校準(zhǔn)件的端面處，然后再得到被測(cè)件的準(zhǔn)確 S 參數(shù)，從而得到材料的電磁特性。

自由空間法是一種非接觸測(cè)量方法，因此也非常適合需要在高溫環(huán)境下進(jìn)行的材料測(cè)量。通?？梢詫⒋郎y(cè)材料放置在一個(gè)帶有“窗口”的隔熱材料箱中，被測(cè)材料在箱中可以被加熱，而隔熱材料對(duì)于微波信號(hào)來(lái)說(shuō)是“透明的”。這樣就可以得到不同溫度下的材料特性，如圖16所示。

圖16. 自由空間法高溫測(cè)試示例

是德科技典型的自由空間法測(cè)試方案配置舉例如下。

自由空間法測(cè)試材料總結(jié)：

自由空間法測(cè)試材料是一種非接觸式的，對(duì)材料非破壞；適合于高溫測(cè)試；可以測(cè)量介電材料和磁性材料等；但是該方法也有一些局限性，比如整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)需要特制校準(zhǔn)件以及GRL等校準(zhǔn)方法來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)；被測(cè)樣品與天線的距離需要精確控制；不能測(cè)試低損耗材料等。

6. 諧振腔法

頻率范圍：不同的諧振腔測(cè)試頻率不同?？偟膩?lái)說(shuō)可以覆蓋1.1G~80GHz之間的標(biāo)志性頻點(diǎn)（一個(gè)諧振腔對(duì)應(yīng)一個(gè)頻點(diǎn)）；多頻點(diǎn)諧振腔可以覆蓋10G~110GHz頻率范圍。

測(cè)試參數(shù)：介電常數(shù)

參考精度：依賴所選諧振腔，比如SPDR精度：’:±(0.0015 + Δh/h)；tanδ：2*10-5。

樣品要求：片狀，且厚度均勻已知

一般對(duì)于PCB基板的測(cè)試，多采用諧振腔法，因?yàn)橹C振腔法可以提供非常高的損耗正切測(cè)量精度，所以特別適合印刷電路板以及高分子材料的測(cè)試等。傳統(tǒng)的諧振腔法大多都是單點(diǎn)頻的測(cè)試。

這種測(cè)試方法利用諧振腔在加入被測(cè)材料前后的諧振頻率變化以及品質(zhì)因數(shù)的變化來(lái)得到材料的介電常數(shù)等參數(shù)。大部分的諧振腔測(cè)試都是遵循美國(guó)材料測(cè)試協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)ASTM D2520 腔體微擾法進(jìn)行測(cè)量的。腔體微擾法在測(cè)量過(guò)程中，首先測(cè)量空腔的中心頻率以及品質(zhì)因數(shù),然后插入樣品后再次測(cè)量加載樣品后的中心頻率以及有載品質(zhì)因數(shù)。再通過(guò)如下公式，計(jì)算出介電常數(shù)和損耗。其中為空腔體積，為樣品體積。

圖17. 諧振腔法原理示意圖

是德科技提供完整的諧振腔法測(cè)試系統(tǒng)，主要包括網(wǎng)絡(luò)分析儀，測(cè)試軟件以及諧振腔夾具。是德科技多平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)分析儀都支持諧振腔法測(cè)材料，包括PNA，ENA，PXIe VNA以及USBVNA等；是德科技N1500A材料測(cè)試軟件支持多種諧振腔夾具；是德科技同時(shí)提供多種高Q值的諧振腔夾具，例如分離介質(zhì)諧振腔（SPDR），分裂圓柱諧振腔（SCCR）以及平衡圓柱諧振腔（BCDR）等，供不同需求的客戶進(jìn)行選擇。

SPDR（Split Post Dielectric Resonator）利用低損耗介質(zhì)材料，相較于傳統(tǒng)的金屬腔體擁有更高的Q值以及更好的溫度穩(wěn)定性。是德科技可以直接提供頻率為1.1GHz，2.5GHz，5GHz，10GHz以及15GHz的SPDR諧振腔夾具，如圖18所示。SPDR相對(duì)成本較低，而且對(duì)材料基片的物理尺寸只要滿足下圖要求即可。圖18是一個(gè)典型的SPDR測(cè)試的場(chǎng)景以及不同諧振腔對(duì)于測(cè)試材料的尺寸要求。

圖18. SPDR諧振腔測(cè)試方法

SCCR（Split Cylinder resonator）是將一個(gè)圓柱形諧振腔從中間一分為二，測(cè)試時(shí)將被測(cè)樣品插入兩個(gè)半圓柱腔中間的間隙中，當(dāng)插入樣品后，諧振腔的S21測(cè)試曲線的諧振峰頻率會(huì)左移，而Q值會(huì)降低，則通過(guò)計(jì)算就可以得到被測(cè)樣品的介電常數(shù)以及損耗值等參數(shù)。SCCR的測(cè)試方法是遵循IPC測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)TM-650 2.5.5.13。典型的SCCR測(cè)試場(chǎng)景如圖19所示。

圖19. SCCR諧振腔測(cè)試方法

SCCR諧振腔可以提供比SPDR更高的頻率覆蓋，當(dāng)然也是單頻點(diǎn)的測(cè)試方案，是德科技能夠提供的解決方案中SCCR諧振腔最高可以覆蓋80GHz，如圖20所示。

圖20. SCCR諧振腔頻率選擇

對(duì)于樣品尺寸的要求，10GHz的SCCR諧振腔要求樣品推薦大小為62mm x 75mm，其他頻率的SCCR推薦樣品大小34mm x 45mm。而樣品的最大厚度要求則根據(jù)被測(cè)材料的介電常數(shù)以及測(cè)試頻率有所不同。對(duì)于損耗小于0.01的材料厚度要求可以參考圖21。

圖21. SCCR諧振腔測(cè)試對(duì)樣品厚度的要求

此外，近年來(lái)，材料測(cè)試的頻率覆蓋越來(lái)越高，并且對(duì)于多頻點(diǎn)低損耗材料測(cè)試的需求日益旺盛。所以是德科技除了提供單頻點(diǎn)諧振腔外，還能提供同時(shí)覆蓋多頻點(diǎn)測(cè)試的諧振腔BCDR（Balanced type Circular Disk Resonator），可以覆蓋10GHz到110GHz的多頻點(diǎn)測(cè)試。BCDR利用的基模和高次模（m=1，2，3……）可以同時(shí)進(jìn)行多頻點(diǎn)的測(cè)試。在該方法的測(cè)試中，BCDR必須通過(guò)同軸電纜在圓盤的正中心激發(fā)出的基模以及高次模，從而完成多頻點(diǎn)的測(cè)試。而測(cè)試原理也是通過(guò)得到有被測(cè)樣品時(shí)和空腔時(shí)的模（m=1，2，3……）的諧振頻率偏移來(lái)最終得到介電特性結(jié)果的，模的諧振頻率與被測(cè)材料的介電常數(shù)以及所用圓盤電極的尺寸大小有關(guān)。BCDR實(shí)測(cè)圖如圖22所示。相較于SCCR以及SPDR， BCDR的電場(chǎng)方向是垂直于被測(cè)材料表面的，也即是平行于厚度方向，這在毫米波的諧振腔中是比較獨(dú)特的。并且由于BCDR的頻率覆蓋比較高，所以推薦67GHz的PNA或者110G的N5290A搭配使用。

圖22. BCDR多頻點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)

BCDR的典型參數(shù)以及對(duì)于被測(cè)樣品的要求如下圖所示。

圖23. BCDR典型參數(shù)以及對(duì)測(cè)試樣品尺寸要求

是德科技完整的諧振腔測(cè)試方案包括毫米波網(wǎng)絡(luò)分析儀，材料測(cè)試軟件N1500A以及諧振腔夾具。下面給出SPDR，SCCR以及BCDR的典型參考配置。

諧振腔法測(cè)試材料方案總結(jié)：

諧振腔法的優(yōu)勢(shì)有測(cè)試精度高；非常適合低損耗材料測(cè)試；并且對(duì)材料樣品尺寸加工要求不高。而該方法由于選擇的諧振腔不同，對(duì)應(yīng)地只能完成單頻點(diǎn)或者有限的多頻點(diǎn)測(cè)試。

四． 一些新的測(cè)試方案

在材料測(cè)試領(lǐng)域，由于材料測(cè)試方法多種多樣，并且被測(cè)材料的形狀也是千差萬(wàn)別，所以很多時(shí)候，夾具的適配度是一個(gè)重要的考量。是德科技除了以上方案，還聯(lián)合了SolutionPartner，為客戶提供更多樣化的材料測(cè)試整體方案。

1. Swissto12 MCK

Swissto12提供的MCK（MaterialCharacterization Kit），為測(cè)試頻率大于25GHz的材料提供了一種更方便操作，覆蓋頻率更寬，材料樣品制樣更容易的一種選擇。MCK測(cè)試示意圖如圖24所示，頻率選件如圖25所示。

圖24. Swissto12 MCK測(cè)試示意圖

圖25. Swissto12 MCK覆蓋的測(cè)試頻段

Swissto12 MCK是由兩個(gè)完全一樣的波紋圓錐喇叭波導(dǎo)天線組成的，并且樣品放置在MCK設(shè)計(jì)好的波導(dǎo)端面，使得其所在的位置正好是被激勵(lì)出的圓錐波紋喇叭主模模的平面波前。所以MCK有時(shí)候也被叫做“引導(dǎo)式的自由空間法”。相較于傳統(tǒng)的自由空間法，由于其被測(cè)材料位置固定，所以操作起來(lái)更加簡(jiǎn)單，且可重復(fù)性更好。典型測(cè)試精度如圖26所示。而且除了平板固體材料以外，還可以測(cè)試液體，粉末，薄膜或者多層材料等（測(cè)試薄膜多層材料需要額外的軟件）。

圖26. Swissto12 MCK 測(cè)試典型精度

是德科技搭配Swissto12 MCK的完整材料測(cè)試方案，典型參考配置如下。

2.FS-330

EM Labs提供的FS-330測(cè)試夾具，可以更容易地完成最高達(dá)330GHz的自由空間法的材料測(cè)試。傳統(tǒng)的自由空間法測(cè)試，由于對(duì)收發(fā)天線高度一致性的要求，以及被測(cè)材料放置位置的要求，所以往往都需要搭配準(zhǔn)光學(xué)平臺(tái)等附件來(lái)完成精確的材料測(cè)試。而FS-330測(cè)試夾具套件自身就擁有精確的天線位置以及樣品位置機(jī)械結(jié)構(gòu)，從而能夠使得自由空間法的操作更加簡(jiǎn)便，測(cè)試結(jié)果更加精確。FS-330測(cè)試套件擁有兩個(gè)透鏡喇叭天線，可以減小樣品與天線之間的距離，從而使得整個(gè)測(cè)試夾具擁有更小的尺寸；并且采用旁瓣更低的喇叭天線，從而使得測(cè)試的可重復(fù)性更高，并且舍去了對(duì)于吸波暗室的需求，極大地縮減了測(cè)試成本。搭配是德科技的網(wǎng)絡(luò)分析儀以及測(cè)試軟件N1500A，可以完成介電常數(shù)以及磁導(dǎo)率的測(cè)試等；此外FS-330通過(guò)選擇不同選件，還可以完成斜入射的測(cè)試，從而得到反射率等的測(cè)試結(jié)果。FS-330測(cè)試套件如圖27所示。

圖27. FS-330 測(cè)試套件

FS-330測(cè)試套件可以分段覆蓋18GHz~330GHz的頻率范圍，如圖28所示。FS-330的喇叭天線接口擁有兩種配置，同軸接口配置（圖28上半部分）和波導(dǎo)接口配置（圖28下半部分）。

圖28. FS-330 頻率選件

FS-330對(duì)于樣品的要求，也需要被測(cè)樣品為平面片狀結(jié)構(gòu)，并且厚度要精確已知，不同頻段的天線，需要的最小尺寸也不同，列于圖29所示。樣品的厚度建議利用N1500A

Sample Thickness Suggestion的建議來(lái)選擇。

圖29. FS-330不同頻段的樣品尺寸要求

是德科技可以推出搭配FS-330的完整材料測(cè)試方案，典型參考配置如下。

3. 使用ADS提取PCB的介電常數(shù)（Dk）和介質(zhì)損耗角（Df）

與前面測(cè)量材料參數(shù)采用的方法不一樣，ADS提取PCB材料的Dk和Df采用的是傳輸線法，所以這種方法測(cè)試的并不是測(cè)試的裸材料，但是對(duì)于PCB而言，這是相對(duì)最接近實(shí)際的材料最終特性。

Dk和Df是材料的基本上屬性參數(shù)，它們會(huì)隨著頻率的變化而變化。高速數(shù)字電路和高頻電路都是在一定帶寬內(nèi)工作的，所以在使用PCB時(shí)也需要考慮到材料參數(shù)的頻變性。因此，在仿真電路的時(shí)候就需要頻變的材料參數(shù)模型。

ADS采用了Svensson/Djordjevic模型，其復(fù)介電常數(shù)表達(dá)式為：

其中，fL和fH是模型參數(shù)，定義為：

是當(dāng)頻率趨于無(wú)窮大時(shí)的介電常數(shù)，a是個(gè)固定的系數(shù)。

ADS將通過(guò)給定頻點(diǎn)的Dk，Df以及設(shè)定的fL和fH計(jì)算出和a，從通過(guò)公式計(jì)算得到任意頻點(diǎn)的電常數(shù)。典型的頻變Dk，Df曲線如下：

圖30. 左圖為Dk的實(shí)部，右圖實(shí)線為Dk的虛部，虛線為Df

該模型可以保證傳輸線的仿真結(jié)果滿足因果性（causality），這對(duì)于高速電路設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是非常關(guān)鍵的。

在使用ADS傳輸線法提取PCB材料參數(shù)時(shí)，首先需要設(shè)計(jì)并生產(chǎn)一塊PCB板，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的傳輸線類型，再使用網(wǎng)絡(luò)分析儀和 AFR軟件獲得準(zhǔn)確的傳輸線S參數(shù)，再在ADS中通過(guò)擬合獲取PCB材料的參數(shù)。使用ADS提取PCB材料參數(shù)的流程如圖31所示：

圖31.ADS提取PCB材料參數(shù)

圖32所示為通過(guò)ADS提取的Dk和Df，其Dk隨著頻率的升高變小，Df隨著頻率的升高變大：

圖32.Dk和Df的頻變參數(shù)

如圖33所示為使用提取的Dk和Df仿真的插入損耗和相位與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，結(jié)果非常吻合，如下圖所示。

圖33.Dk和Df的結(jié)果對(duì)比

在實(shí)際的材料參數(shù)提取時(shí)，可以考慮銅箔的粗糙度，也可以不考慮銅箔的粗糙度，具體根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用選擇。這類方式提取PCB材料參數(shù)的頻率可以達(dá)到50GHz及以上。

五．總結(jié)

是德科技提供多種多樣的材料測(cè)試整體解決方案，包括測(cè)試儀表，夾具以及軟件，可以覆蓋固體，液體，粉末，薄膜材料，磁環(huán)等的測(cè)試需求，如圖34所示。

圖34.是德科技材料測(cè)試方案

審核編輯：劉清