CN108717143A - 一种采用带状线法自动测试基板材料介电性能参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用带状线法自动测试基板材料介电性能参数的方法。该方法以计算机为测试平台，在计算机的硬盘中安装测试模块；在计算机的总线扩展槽中安装USB GPIB接口卡，通过USB GPIB接口卡与网络分析仪连接进行通讯；在计算机的总线扩展槽中安装数据采集卡，数据采集卡连接施压装置和温度控制系统，用于控制采集压力参数和温度参数，自动测试并计算基板材料的介电常数和损耗角正切以及介电常数温度系数。采用本发明，实现了基板材料介电性能参数的自动化测量，数据准确可靠，测试效率高；从而降低了成本，提高了经济效益。

Description

一种采用带状线法自动测试基板材料介电性能参数的方法

技术领域

本发明涉及覆铜板基板材料测试领域，特别涉及一种采用带状线法自动测试基板材料介电性能参数的方法。

背景技术

覆铜板基板材料介电常数及损耗可以带状线法进行测试，依据标准为国家标准方法GB/T 12636-1990微波介质基片复介电常数(带状线法)测试方法，。目前国内尚无成熟的商业设备，一般采用国家标准提供的方法自行搭建符合标准要求的测试系统，需要按其测试步骤，在安装好测试样品后需要反复调节网络分析仪参数来方便调节测试探针到达位置，然后再通过人为的数测试峰的方法进行测试，采用手动测试时，测试流程较长，需要中间人为读取相关测试数据并输入测试参数才能进行介电常数及损耗的测量，造成测试流程繁琐耗时，且很容易因为人眼识别参数误差造成测试结果不准确。

发明内容

本发明的目的就是为克服现有技术的不足，针对带状线法介电常数及损耗自动测试难题，提供一种采用带状线法自动测试基板材料介电性能参数的方法。通过利用在计算机中安装USB GPIB接口卡，USB GPIB接口卡与网络分析仪通讯，通过设计的计算公式，实现了网络分析仪自动准确获得测试所需的第n号和第(n-1)号或(n+1)号模式的谐振频率，最终实现样品所需测试网络分析仪测试参数条件一键到达，并在测试结果上达到标准要求。

本发明是通过这样的技术方案实现的：一种采用带状线法自动测试基板材料介电性能参数的方法，其特征在于，该方法以计算机为测试平台，在计算机的硬盘中安装测试模块；所述测试模块包括依次连接的：用于实现网络分析仪控制功能的命令发送模块；用于实现网络分析仪数据采集功能的数据采集模块；用于实现自动寻找测试峰位、测试模式的确定、测试结果的计算、数据计算处理的数据处理模块；用于测试结果的存储的数据存储模块；用于实现测试数据打印的数据输出模块。

在计算机的总线扩展槽中安装USB GPIB接口卡，通过USB GPIB接口卡与网络分析仪连接进行通讯；在计算机的总线扩展槽中安装数据采集卡，数据采集卡连接施压装置和温度控制系统，用于控制采集压力参数和温度参数，自动测试并计算基板材料的介电常数和损耗角正切以及介电常数温度系数，该方法包括调节和测试两部分，其中调节部分执行以下操作：

步骤1、将装配好的测试样品放入符合国家标准GB/T12636-90规定的带状线谐振器中，录入测试样品以及所需测试的参数信息。

步骤2、点击测试面板“调节”按钮，该步骤即让计算机通过发送命令给网络分析仪和数据采集卡，进而有如下步骤：

a、通过施压装置进行施压并通过压力传感器调节采集压力，通过温控系统控制调节测试温度；

b、设置网络分析仪初始化；

c、设置网络分析仪测试参数；

d、根据录入的测试样品参数信息设定网络分析仪X轴频率范围，使该频率范围内只显示两个谐振峰，并依次扫描并记录其频率值，并录入计算机缓存；

e、依据以下公式计算谐振时沿谐振导带分布的驻波半波长个数，并取整：

式(1)中：n_取整─所需测试样品频率f对应的驻波半波长个数，n_取整≧1；

f─测试样品指定测试频率，Hz；

f₁─一定频率范围内第一个谐振峰，Hz；

f₂─一定频率范围内第二个谐振峰，Hz；

f、通过以下公式计算获得测试样品所需测试频率的谐振峰f’：

f‘＝|f₁-f₂|*n_取整----------------------------------(2)；

g、设置网络分析仪Y轴自动调节，设置网络分析仪X轴只显示谐振峰f’一个峰，使得该峰完整呈现。

步骤3、调节测试探针的水平旋钮，使测试探针靠紧测试样品，然后均匀调节两侧探针，使所需耦合满足标准测试需求；调节两侧探针，使网络分析仪插入电损A介于-48±0.5dB之间。

测试部分执行以下操作：

步骤4、点击测试面板“测试”按钮，该步骤即让计算机发送命令给网络分析仪，进而有如下步骤：

ⅰ、网络分析仪将测试样品所需测试频率处的谐振峰居中；

ⅱ、设置网络分析仪Y轴自动调节、设置网络分析仪X轴只显示f’一个峰，使得该峰完整呈现；

ⅲ、将网络分析仪读取测试值方式位于“平均”模式；衰减器减小3.01dB、平滑模式：开；

ⅳ、读取谐振峰值对应的实际频率f_n、谐振器谐振时的插入电损A、带状线谐振器的有载品质因数Q_L。

步骤5、依据测试前录入的测试样品参数值和网络分析仪测试获得的参数值，依据以下公式最终自动计算获得测试样品所需的介电常数ε'：

式(3)中：

c─光速，2.998×10¹¹mm/s；

n─谐振时沿谐振导带分布的驻波半波长个数；

f_n─第n号模式的谐振频率，Hz，

L─谐振导带长度，mm；

ΔL─金属导带两端口边缘场效应金属导带的有效增长量，mm；

依据以下公式自动计算获得测试样品所需的损耗角正切tanδ：

式(4)中：A─谐振器谐振时的插入电损，dB；

Q_L─带状线谐振器的有载品质因数；

Q_C─表征带状线铜耗的品质因数；

其中表征带状线铜耗的品质因数Q_C的计算公式如下：

式(5)中：α_c─带状线的衰减常数；表达式为：

式(6)中：W─谐振器导带宽度，mm；

t─谐振器导带厚度，mm；

b─测试样品两层叠加厚度，mm；

R_s─谐振器导带金属表面电阻，Ω/mm²；

Z_c─带状线特性阻抗，Ω；表达式为：

式(7)中：C_f─单位长度横向边缘电容，pF/mm；表达式为：

重复步骤2至步骤4，以及步骤5中的介电常数计算过程，分别计算温度为T₀、T₁条件下介电常数ε_r0、ε_r1，依据以下公式自动计算获得测试样品所需的介电常数温度系数τ_ε：

式(9)中：τ_ε─介电常数温度系数，ppm/℃；

ε_r0─谐振器在T₀下的相对介电常数；

ε_r1─谐振器在T₁下的相对介电常数；

T₀─对应介电常数ε_r0时控温箱的温度，℃；

T₁─对应介电常数ε_r1时控温箱的温度，℃。

步骤6、将测试结果输出保存为Excel表格格式，通过打印机打印出测试结果。

本发明所产生的有益效果是：采用本发明，实现了基板材料介电性能参数的的自动化测量，数据准确可靠，测试效率高；从而降低了成本，提高了经济效益。

附图说明

图1为本发明采用的硬件结构框图；

图2为本发明测试模块功能框图；

图3为本发明调节程序流程图；

图4为本发明测试程序流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明：

参照图1和图2，本发明以计算机为测试平台，在计算机的硬盘中安装测试模块；测试模块包括依次连接的：用于实现网络分析仪控制功能的命令发送模块；用于实现网络分析仪数据采集功能的数据采集模块；用于实现自动寻找测试峰位、测试模式的确定、测试结果的计算、数据计算处理的数据处理模块；用于测试结果的存储的数据存储模块和用于实现测试数据打印的数据输出模块。

在计算机的总线扩展槽中安装USB GPIB接口卡，通过USB GPIB接口卡与网络分析仪连接进行通讯；在计算机的总线扩展槽中安装数据采集卡，数据采集卡连接施压装置和温度控制系统，用于控制采集压力参数和温度参数，自动测试并计算基板材料的介电常数和损耗角正切以及介电常数温度系数，本发明采用频率范围达40GHz网络分析仪，例如：安捷伦N5230C网络分析仪。测试模式：S21、衰减器减小3.01dB、数据处理模式：平均、平滑模式：开。

实施例：待测样品长度：70.00mm；宽度：30.00mm；二片样品叠加厚度b(实际测试时为二片叠加测试)：1.02mm；谐振导带长度L:70.00mm(谐振导带位于片样品之间，长度与样品长度一致)，谐振导带宽度W：1.66mm，谐振导带厚度t：0.015mm；谐振导带表面电阻：0.0293Ω/mm²，需要测试频率为f：10×10¹⁰Hz的介电常数值ε'和损耗角正切tanδ以及介电常数温度系数。

1.调节程序

参照图3，将测试样品安装至带状线谐振器后，启动调试程序，先采集测试温度T，测试压力数据并调试压力(如350kg)，软件设定网络分析仪会自动采集读取第一个谐振峰f1：6.77×10⁹Hz，第二个谐振峰f2：5.41×10⁹Hz，并依据公式(1)和公式(2)得出(本实施例涉及公式中E均代表幂，如aEb，代表a乘以10的b次方)：

(本实施例样品指定测试频率f设置取10GHz)

f‘＝|f₁-f₂|*n_取整＝|6.77E9-5.41E9|*7＝9.52E9

依据上述计算结果，网络分析仪将X轴中心设置为9.52×10⁹Hz，Y轴自动调节显示，即可进行测试探针调节，使得网络分析仪插入电损A介于(-48±0.5)dB之间，调试结束。

2.测试程序

参照图4，启动测试程序后，网络分析仪显示频率9.52×10⁹Hz附近最高峰，,软件测试采集衰减器减小3.01dB后的最高峰频率fn：9.469994×10⁹Hz，插入电损A：-48.26dB；带状线谐振器的有载品质因数Q_L：335.32；依据公式(3)，计算介电常数值ε’：

(说明：金属导带两端口边缘场效应金属导带的有效增长量Δ_L本例值为0.001mm，不同测

试系统依据系统调试值不同。)

谐振时沿谐振导带分布的驻波半波长个数，如果1-40GHz全范围测试，该值取1，2,3……n，如果只测试指定频率f，谐振时沿谐振导带分布的驻波半波长个数n与n_取整相同。

依据公式(4)，计算损耗角正切tanδ：

公式(4)中带状线谐振器的有载品质因数Q_L由网络分析仪测试获得，表征带状线铜耗的品质因数Q_c由公式(5)计算获得：

公式(5)中的带状线的衰减常数α_c由公式(6)计算获得：

公式(6)中的带状线特性阻抗Z_c由公式(7)计算获得：

公式(7)中的单位长度横向边缘电容C_f由公式(8)计算获得：

本发明配合软件设置可实现谐振时沿谐振导带分布的驻波半波长个数n从1开始自动测试，从而实现1GHz-40GHz全频率的介电常数值ε’和损耗角正切tanδ测试。同时考虑到金属表面的氧化和不光滑，使得损耗增加，所以将表征带状线铜耗的品质因数Q_c理论值乘上0.85(经验修正系数)。

介电常数温度系数测试：采用本发明测试软件分别测试不同温度下介电常数，例如：

对应介电常数ε_r0时控温箱的温度T₀：0℃；

谐振器在T₀下的相对介电常数ε_r0：2.9176；

对应介电常数ε_r1时控温箱的温度T₁：100℃；

谐振器在T₁下的相对介电常数ε_r1：2.9202；

介电常数温度系数按公式(9)计算获得：

即介电常数温度系数为8.91ppm/℃。

Claims (1)

1.一种采用带状线法自动测试基板材料介电性能参数的方法，其特征在于，该方法以计算机为测试平台，在计算机的硬盘中安装测试模块；所述测试模块包括依次连接的：

用于实现网络分析仪控制功能的命令发送模块；

用于实现网络分析仪数据采集功能的数据采集模块；

用于实现自动寻找测试峰位、测试模式的确定、测试结果的计算、数据计算处理的数据处理模块；

用于测试结果的存储的数据存储模块；

用于实现测试数据打印的数据输出模块；

在计算机的总线扩展槽中安装USB GPIB接口卡，通过USB GPIB接口卡与网络分析仪连接进行通讯；在计算机的总线扩展槽中安装数据采集卡，数据采集卡连接施压装置和温度控制系统，用于控制采集压力参数和温度参数，自动测试并计算基板材料的介电常数和损耗角正切以及介电常数温度系数，该方法包括调节和测试两部分，其中调节部分执行以下操作：

步骤1.将装配好的测试样品放入符合国家标准GB/T12636-90规定的带状线谐振器中，录入测试样品以及所需测试的参数信息；

步骤2.点击测试面板“调节”按钮，该步骤即让计算机通过发送命令给网络分析仪和数据采集卡，进而有如下步骤：

a、通过施压装置进行施压并通过压力传感器调节采集压力，通过温控系统控制调节测试温度；

b、设置网络分析仪初始化；

c、设置网络分析仪测试参数；

d、根据录入的测试样品参数信息设定网络分析仪X轴频率范围，使该频率范围内只显示两个谐振峰，并依次扫描并记录其频率值，并录入计算机缓存；

e、依据以下公式计算谐振时沿谐振导带分布的驻波半波长个数，并取整：

式(1)中：n_取整─所需测试样品频率f对应的驻波半波长个数，n_取整≧1；

f─测试样品指定测试频率，Hz；

f₁─一定频率范围内第一个谐振峰，Hz；

f₂─一定频率范围内第二个谐振峰，Hz；

f、通过以下公式计算获得测试样品所需测试频率的谐振峰f’：

f‘＝|f₁-f₂|*n_取整----------------------------------(2)；

g、设置网络分析仪Y轴自动调节，设置网络分析仪X轴只显示谐振峰f’一个峰，使得该峰完整呈现；

步骤3.调节测试探针的水平旋钮，使测试探针靠紧测试样品，然后均匀调节两侧探针，使所需耦合满足标准测试需求；调节两侧探针，使网络分析仪插入电损A介于-48±0.5dB之间；

测试部分执行以下操作：

步骤4.点击测试面板“测试”按钮，该步骤即让计算机发送命令给网络分析仪，进而有如下步骤：

ⅰ、网络分析仪将测试样品所需测试频率处的谐振峰居中；

ⅱ、设置网络分析仪Y轴自动调节、设置网络分析仪X轴只显示f’一个峰，使得该峰完整呈现；

ⅲ、将网络分析仪读取测试值方式位于“平均”模式；衰减器减小3.01dB、平滑模式：开；

ⅳ、读取谐振峰值对应的实际频率f_n、谐振器谐振时的插入电损A、带状线谐振器的有载品质因数Q_L；

步骤5.依据测试前录入的测试样品参数值和网络分析仪测试获得的参数值，依据以下公式最终自动计算获得测试样品所需的介电常数ε'：

式(3)中：c─光速，2.998×10¹¹mm/s；

n─谐振时沿谐振导带分布的驻波半波长个数；

f_n─第n号模式的谐振频率，Hz，

L─谐振导带长度，mm；

ΔL─金属导带两端口边缘场效应金属导带的有效增长量，mm；

依据以下公式自动计算获得测试样品所需的损耗角正切tan_δ：

式(4)中：A─谐振器谐振时的插入电损，dB；

Q_L─带状线谐振器的有载品质因数；

Q_C─表征带状线铜耗的品质因数；

其中表征带状线铜耗的品质因数Q_C的计算公式如下：

式(5)中：α_c─带状线的衰减常数；表达式为：

式(6)中：W─谐振器导带宽度，mm；

t─谐振器导带厚度，mm；

b─测试样品两层叠加厚度，mm；

R_s─谐振器导带金属表面电阻，Ω/mm²；

Z_c─带状线特性阻抗，Ω；表达式为：

式(7)中：C_f─单位长度横向边缘电容，pF/mm；表达式为：

重复步骤2至步骤4，以及步骤5中的介电常数计算过程，分别计算温度为T₀、T₁条件下介电常数ε_r0、ε_r1，依据以下公式自动计算获得测试样品所需的介电常数温度系数τ_ε：

式(9)中：τ_ε─介电常数温度系数，ppm/℃；

ε_r0─谐振器在T₀下的相对介电常数；

ε_r1─谐振器在T₁下的相对介电常数；

T₀─对应介电常数ε_r0时控温箱的温度，℃；

T₁─对应介电常数ε_r1时控温箱的温度，℃；

步骤6、将测试结果输出保存为Excel表格格式，通过打印机打印出测试结果。