CN104865449B - 基于波导多谐基片集成振腔法的介质基片测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明介质基片特性测量领域，具体为基于波导多谐基片集成振腔法的介质基片测量装置，包括标准W频段金属馈电波导和N个谐振腔；其特征在于，所述N个谐振腔形状为正方形，从左往右呈“一”字排列、其谐振频率按照固定频率间隔依次递减。其测量方法采用矢量网络分析仪通过馈电同轴与标准金属波导的馈电端口进行连接，通过记录下的矢量网络分析仪上的S参数数据，史密斯圆图数据，通过公式对无载谐振频率f110进行计算，然后通过仿真软件HFSS本征模式仿真从f110得到介质的介电常数εr和tanδ的值。本发明提供的装置和方法能够在很宽的一个频带内对介质基片的介电常数和损耗角正切值进行高精度的测量。
Description
技术领域
本发明介质基片特性测量领域，特别涉及介质基片材料的介电常数和损耗特性的测量，具体为基于波导多谐基片集成振腔法的介质基片测量装置及方法。
背景技术
印刷电路板技术已经广泛用于各个领域，其中介质材料的特性是衡量电路板微波特性的重要指标，包括介电常数和损耗。准确了解介质基片的这两个特性，对于介质材料在微波频段的各类应用是必不可少的。
介质介电常数和损耗的测试技术经过近几十年的发展，已经形成了一套比较完整的测试体系。目前，在微波毫米波频段，测试方法通常有两种：传输法和谐振腔法。传输法可以在很宽的一个频带内测试介质的介电常数和损耗，但测试结果受测试原理的影响，精度有限。谐振腔法克服了传输法的不足，可以精确测量出介质的介电常数和损耗，但是每次仅可以测一个频点，想要测出宽带介质特性，需要测试多次，大大增加了测试成本和时间。
在多种谐振腔法中，将谐振腔直接制作于基片上的测试方法具有加工易、成本低的优势，但传统微带谐振腔等技术在毫米波频段辐射泄漏较强，测试精度下降。基于基片集成波导技术的谐振腔测试法具有极低的辐射损耗和较高的品质因数，可以在毫米波频段获得更高的测试精度。
文献“Millimeter-wave printed circuit board characterization usingsubstrate integrated waveguide resonators,”(D.E.Zelenchuk,V.Fusco,G.Goussetis,A.Mendez,and D.Linton,IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,vol.60,no.10,pp.3300–3308,Oct.2012)中公开方法在V波段和W波段用基片集成波导矩形谐振腔实现对介质基片特性的测试，测试结果准确有效。但是，该方法局限在单频点的测试，无法实现宽频带的快速测试。
发明内容
本发明的目的在于为了克服传统谐振腔法一次只能测试单个频点的问题，本发明提供基于波导多谐基片集成振腔法的介质基片测量装置及方法，采用多个基片集成波导谐振腔串联的方式，通过单次测试完成对宽频带介质特性的测量；该方法简单，成本低，测试准确可靠，非常适用于毫米波频段基片介质特性的测试。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
基于波导多谐基片集成振腔法的介质基片测量装置，包括标准W频段金属馈电波导和N个谐振腔；其特征在于，所述N个谐振腔形状为正方形，从左往右呈“一”字排列、其谐振频率按照固定频率间隔依次递减。
所述N个谐振腔中每个谐振腔从上往下依次包括上金属覆铜层23、介质层22、下金属覆铜层21，以及贯穿上金属覆铜层23、介质层22和下金属覆铜层21的金属化孔24，所述W频段标准金属馈电波导包括左侧的末端金属挡板13、右侧的馈电端口14以及底层金属壁，W频段标准金属馈电波导与谐振腔共用下金属覆铜层21，下金属覆铜层21上对应于N个谐振腔开设有N个耦合缝，标准W频段金属馈电波导通过耦合缝与谐振腔连接。
所述N个耦合缝隙的长度取决于其对应谐振腔的谐振波长，宽度为0.2mm-0.3mm，耦合缝隙与W频段标准金属馈电波末端金属挡板13的距离为λ为其对应谐振腔的谐振频率的波导波长。
本发明中，N个谐振腔从左到右其谐振频率递减，对应其谐振腔尺寸大小也为递减，设计尺寸的初值可以根据HFSS本征模式仿真确定。
从工作原理上讲，本发明采用多个基片集成波导矩形谐振腔，其工作模式均为TE110模。由于采用多个谐振腔串联的形式，测试中应该使用多腔福斯特模型公式对第i个谐振腔的无载谐振频率f110,i进行修正，公式中的i代表第i个谐振腔的标号：
其中Qe,i是第i个谐振腔的外部品质因数，fL,i是第i个谐振腔的有载谐振频率，可以从测试的S参数曲线得到，Ai代表第i个耦合的电抗特性，可以从测试的史密斯圆图中得到。Qe,i可以下面的公式(2)中计算得出：
其中QL,i为第i个腔的有载品质因数，可以从S参数曲线中算出，Qu,i为第i个谐振腔的无载的品质因数，可以从下面的公式中得到：
Qu,i＝QL,i(1+βi) (3)
其中βi为第i个谐振腔的耦合系数，是衡量从馈电装置到谐振腔能量耦合强弱的一个参数，具体值可以从测试的S参数中得到。本方法在用谐振腔测试介电常数时，用仿真软件的HFSS本征模仿真，把测试计算得到的f110,i与介电常数εr对应起来，得到了介电常数的准确值。
介质的损耗角正切值的大小，反应了介质损耗的强弱，损耗角正切值越大，介质损耗就越大。本发明中在对介质的损耗角正切值测量时，运用了如下的公式：
其中，tanδ为介质的损耗角正切值。Qc,i为第i个腔体金属损耗所产生的品质因数，可从仿真软件HFSS本征模式仿真中读出。
工作中，采用矢量网络分析仪通过馈电同轴与标准金属波导的馈电端口14进行连接，通过记录下的矢量网络分析仪上的S参数数据，史密斯圆图数据，用上文提到的(1)，(2)，(3)三个计算公式对无载谐振频率f110进行计算。然后通过仿真软件HFSS本征模式仿真从f110得到介质的介电常数εr。通过记录下的矢量网络分析仪上的S参数数据，史密斯圆图数据，运用上文提到的公式(4)对介质的损耗角正切值进行计算，得到tanδ的值。
由此可知，采用本发明提供的装置和方法能够在很宽的一个频带内对介质基片的介电常数和损耗角正切值进行高精度的测量。本发明的有益效果为：
(1)本发明采用基片集成波导多谐振腔进行测试，所有腔体均由一个末端短路的标准W频段波导WR-10进行馈电。基片集成波导谐振腔加工基于标准的PCB工艺，加工方便、成本低廉；与其他种类的基片谐振腔测试相比(如微带谐振腔)，品质因数更高，更准确。
(2)本发明采用基片集成波导多谐振腔进行测试，克服了谐振腔法只能测单一频点的弊端，用多谐振腔法得到了介质基片的宽带特性。
(3)本发明中谐振腔体之间互不影响，单个腔体的设计简单。
附图说明
图1是本发明基片集成波导多谐振腔的结构俯视图，其中，2为谐振腔、211-21N分别为N个耦合缝。
图2是本发明基片集成波导多谐振腔的结构剖视图，其中，1为标准W频段金属馈电波导、12为底层金属壁、13为末端金属挡板、14为馈电端口、21为上金属覆铜层、22为介质层、23为下金属覆铜层、24为金属化孔、201-20N分别表示N个谐振腔。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。
基片集成波导多谐振腔，包括多个谐振腔2和标准W频段金属馈电波导1，谐振腔2的设计特征在于，从左往右看，201-20N为N个基片集成波导谐振腔。谐振腔201-20N俯视为正方形，为满足谐振频率有一个固定的频率间隔，201-20N大小逐渐减小，设计尺寸的初值可以根据HFSS本征模式仿真确定。谐振腔2从上往下依次包括上层金属覆铜23，介质22，下层金属覆铜21，以及贯穿上层金属覆铜23，介质22和金属覆铜21的金属化孔24。211-21N为在下层金属覆铜上的耦合缝隙，使能量由金属波导1有效地馈入谐振腔201-20N。W频段标准金属馈电波导1的特征在于，标准金属波导1从左往右依次为末端金属挡板13，馈电端口14，12为底层金属壁。金属馈电波导1无上层金属壁，与谐振腔的下层金属覆铜21共用一层金属层，金属馈电波导1通过耦合缝隙211-21N，与谐振腔201-20N连接，耦合缝隙211-21N的长度取决于对应腔体的谐振波长，宽度为0.2mm-0.3mm。耦合缝隙211-21N距离金属波导末端距离为(2N-1)/2倍的对应频率的波导波长。
测试装置包括谐振腔201-20N，馈电标准金属矩形波导WR-10，矢量网络分析仪(带频率拓展模块)以及连接的同轴电缆和各种接头。
该介电常数测试系统的具体工作过程是：矢量网络分析仪通过馈电同轴与标准金属波导的馈电端口14进行连接。通过记录下的矢量网络分析仪上的S参数数据，史密斯圆图数据，用上文提到的(1)，(2)，(3)三个计算公式对无载谐振频率f110进行计算。然后通过仿真软件HFSS本征模式仿真从f110得到介质的介电常数εr。通过记录下的矢量网络分析仪上的S参数数据，史密斯圆图数据，运用上文提到的公式(4)对介质的损耗角正切值进行计算，得到tanδ的值。这样，就可以得到介质在很宽的一个频带内的介电常数和损耗角正切值。这种方法操作简单，成本低。
在本发明中，测试时端口数为一个。因此品质因数QL通过S11的3dB带宽和谐振频率来确定。本发明在一块PCB板上设计了8个谐振腔，谐振在不同的谐振频率。在89～105GHz的范围内，大约每间隔2GHz设计一个谐振腔。采用的基片是Rogers RT/duroid 5880，基片的介电常数为2.2，损耗角正切值为0.0009(在9.4GHz测试下获得)。制作了7个样品，对这些样品进行了测试，测试结果如下表所示：
表1 基于仿真数据的介电常数测量结果
| 样品1 | 2.205 | 2.198 | 2.214 | 2.227 | 2.202 | 2.207 | 2.215 | 2.209 |
| 样品2 | 2.235 | 2.202 | 2.191 | 2.191 | 2.2 | 2.205 | 2.203 | 2.206 |
| 样品3 | 2.181 | 2.195 | 2.19 | 2.203 | 2.194 | 2.199 | 2.212 | 2.223 |
| 样品4 | 2.202 | 2.195 | 2.185 | 2.196 | 2.187 | 2.193 | 2.192 | 2.191 |
| 样品5 | 2.181 | 2.196 | 2.186 | 2.189 | 2.205 | 2.192 | 2.204 | 2.22 |
| 样品6 | 2.201 | 2.205 | 2.196 | 2.212 | 2.202 | 2.221 | 2.202 | 2.234 |
| 样品7 | 2.183 | 2.17 | 2.183 | 2.181 | 2.196 | 2.194 | 2.207 | 2.226 |
表2 基于仿真数据的损耗角正切测量结果
| 样品1 | 0.000875 | 0.001235 | 0.001804 | 0.001357 | 0.002134 | 0.001322 | 0.001292 | 0.001446 |
| 样品2 | 0.000912 | 0.000634 | 0.000967 | 0.001181 | 0.001338 | 0.001514 | 0.000883 | 0.00072 |
| 样品3 | 0.001168 | 0.00114 | 0.001556 | 0.001344 | 0.001759 | 0.001274 | 0.001279 | 0.001726 |
| 样品4 | 0.000795 | 0.001274 | 0.001297 | 0.001329 | 0.001449 | 0.001292 | 0.001042 | 0.001075 |
| 样品5 | 0.001064 | 0.000925 | 0.001411 | 0.001105 | 0.001155 | 0.000898 | 0.001134 | 0.001381 |
| 样品6 | 0.001123 | 0.001242 | 0.001292 | 0.001066 | 0.001685 | 0.000729 | 0.00091 | 0.001174 |
| 样品7 | 0.001101 | 0.001145 | 0.001221 | 0.001429 | 0.001596 | 0.001112 | 0.00119 | 0.001806 |
测试结果显示每个点介电常数的值的误差均小于1.5％，损耗角正切比标注的0.0009略大，这是因为标注的0.0009是在9.4GHz测试得到的值，我们得到的损耗角正切是在W频段的测试结果，这是合理的。因为频率越高，介质的损耗角正切值越大，W频段的频率比9.4GHz高，因此损耗角正切值也相应要大。测试的结果显示了测试方法的有效性和稳定性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (2)
1.基于波导多谐基片集成振腔法的介质基片测量装置，包括标准W频段金属馈电波导和N个谐振腔；其特征在于，所述N个谐振腔形状为正方形，从左往右呈“一”字排列、其谐振频率按照固定频率间隔依次递减；所述N个谐振腔中每个谐振腔从上往下依次包括上金属覆铜层(23)、介质层(22)、下金属覆铜层(21)，以及贯穿上金属覆铜层(23)、介质层(22)和下金属覆铜层(21)的金属化孔(24)，所述标准W频段标准金属馈电波导包括左侧的末端金属挡板(13)、右侧的馈电端口(14)以及底层金属壁，W频段标准金属馈电波导与谐振腔共用下金属覆铜层(21)，下金属覆铜层(21)上对应于N个谐振腔开设有N个耦合缝，标准W频段金属馈电波导通过耦合缝与谐振腔连接；所述N个耦合缝隙的长度取决于其对应谐振腔的谐振波长，宽度为0.2mm-0.3mm，耦合缝隙与标准W频段标准金属馈电波末端金属挡板(13)的距离为λ为其对应谐振腔的谐振频率的波导波长。
2.按权利要求1所述基于波导多谐基片集成振腔法的介质基片测量装置的测量方法，包括以下步骤：
步骤1.采用矢量网络分析仪通过馈电同轴与标准W频段金属馈电波导的馈电端口进行连接，记录下的矢量网络分析仪上的S参数曲线，史密斯圆图数据；
步骤2.使用多腔福斯特模型公式对第i个谐振腔的无载谐振频率f110,i进行修正，修正式为：
<mrow>
<msub>
<mi>f</mi>
<mrow>
<mi>L</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
</mrow>
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<mrow>
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<mo>+</mo>
<mfrac>
<msub>
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<mi>i</mi>
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<mrow>
<mn>2</mn>
<msub>
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<mrow>
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<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
</mrow>
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</mrow>
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<mo>)</mo>
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<msub>
<mi>f</mi>
<mrow>
<mn>110</mn>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
其中，i代表第i个谐振腔的标号，Qe,i是第i个谐振腔的外部品质因数，fL,i是第i个谐振腔的有载谐振频率、从测试的S参数曲线得到，Ai代表第i个耦合的电抗特性、从测试的史密斯圆图中得到；Qe,i通过以下的公式计算：
<mrow>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<msub>
<mi>Q</mi>
<mrow>
<mi>e</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
</mrow>
</msub>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<mfrac>
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<mi>Q</mi>
<mrow>
<mi>L</mi>
<mo>,</mo>
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</mrow>
</msub>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<msub>
<mi>Q</mi>
<mrow>
<mi>u</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
</mrow>
</msub>
</mfrac>
</mrow>
其中，QL,i为第i个腔的有载品质因数，从S测试的参数曲线中算出，Qu,i为第i个谐振腔的无载的品质因数，通过以下公式计算：
Qu,i＝QL,i(1+βi)
其中，βi为第i个谐振腔的耦合系数，从测试的S参数中得到；
步骤3.采用HFSS本征模式仿真，将步骤2计算得到的f110,i与介电常数εr对应，得到介质基片介电常数的准确值；
步骤4.采用HFSS本征模式仿真，通过以下公式测量介质基片的损耗角正切值：
<mrow>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<msub>
<mi>Q</mi>
<mrow>
<mi>d</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
</mrow>
</msub>
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<mfrac>
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<msub>
<mi>Q</mi>
<mrow>
<mi>u</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
</mrow>
</msub>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mfrac>
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<mi>c</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
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</msub>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<mi>t</mi>
<mi>a</mi>
<mi>n</mi>
<mi>&delta;</mi>
</mrow>
其中，tanδ为介质的损耗角正切值，Qc,i为第i个腔体金属损耗所产生的品质因数，从仿真软件HFSS本征模式仿真中读出。
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