技術(shù)文章 | 毫米波材料的介電測(cè)量解決方案

微波是指頻率為300MHz~300GHz的電磁波，是無(wú)線電波中一個(gè)有限頻帶的簡(jiǎn)稱(chēng)，即波長(zhǎng)在1毫米~1米之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波的統(tǒng)稱(chēng)。微波頻率比一般的無(wú)線電波頻率高，通常也稱(chēng)為“超高頻電磁波”。微波作為一種電磁波也具有波粒二象性。微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個(gè)特性。對(duì)于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對(duì)于水和食物等就會(huì)吸收微波而使自身發(fā)熱。而對(duì)金屬類(lèi)東西，則會(huì)反射微波。

毫米波 （millimeter wave ）：波長(zhǎng)為1～10毫米的電磁波稱(chēng)毫米波，它位于微波與遠(yuǎn)紅外波相交疊的波長(zhǎng)范圍，因而兼有兩種波譜的特點(diǎn)。毫米波的理論和技術(shù)分別是微波向高頻的延伸和光波向低頻的發(fā)展。

毫米波在通信、雷達(dá)、制導(dǎo)、遙感技術(shù)、射電天文學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)和波譜學(xué)方面都有重大的意義。利用大氣窗口的毫米波頻率可實(shí)現(xiàn)大容量的衛(wèi)星-地面通信或地面中繼通信。利用毫米波天線的窄波束和低旁瓣性能可實(shí)現(xiàn)低仰角精密跟蹤雷達(dá)和成像雷達(dá)。在遠(yuǎn)程導(dǎo)彈或航天器重返大氣層時(shí)，需采用能順利穿透等離子體的毫米波實(shí)現(xiàn)通信和制導(dǎo)。高分辨率的毫米波輻射計(jì)適用于氣象參數(shù)的遙感。用毫米波和亞毫米波的射電天文望遠(yuǎn)鏡探測(cè)宇宙空間的輻射波譜可以推斷星際物質(zhì)的成分。

圖1 無(wú)線電波的波長(zhǎng)/頻率

復(fù)介電常數(shù)e和復(fù)磁導(dǎo)率m是介質(zhì)材料的兩個(gè)基本參數(shù)。

Permittivity=介電常數(shù)=er；Permeability=磁導(dǎo)率mr；Loss Tangent=tand=損耗正切也稱(chēng)為介質(zhì)損耗因子。

毫米波等高頻無(wú)線電波具有“大氣衰減”和“更高的直線度”等特性。此外，在高頻電路中，還具有“印刷電路板損耗增加”、“電路特性因布線圖案的形狀和電路板上的材料而異”和“無(wú)線電波傳播特性因環(huán)境溫度的變化而異”等特性。這些材料特性影響移動(dòng)終端和汽車(chē)?yán)走_(dá)的射頻Tx/Rx性能。因此，為了實(shí)現(xiàn)更好的功能和性能，正在開(kāi)發(fā)考慮基材和涂層材料介電常數(shù)的頻率和溫度特性的材料。

在此背景下，介電常數(shù)的測(cè)量對(duì)于介電應(yīng)用變得非常重要。例如，開(kāi)發(fā)汽車(chē)應(yīng)用的高介電材料需要溫度循環(huán)測(cè)量。人們也越來(lái)越需要能夠測(cè)量多層結(jié)構(gòu)，如汽車(chē)標(biāo)志，它結(jié)合了車(chē)身材料和表面，以及由幾種具有不同性能的材料組成的復(fù)合材料。

此外，作為控制毫米波無(wú)線電環(huán)境的材料，還測(cè)量“超材料”的介電常數(shù)，該材料可以通過(guò)人工形成小于無(wú)線電波波長(zhǎng)的精細(xì)周期性結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)任意介電常數(shù)。涉及操作環(huán)境變化的測(cè)試不僅包括溫度變化，還包括低溫/高溫、在恒定負(fù)載下進(jìn)行拉伸測(cè)試時(shí)的測(cè)量或減壓下的測(cè)量。

• 相對(duì)于4G（LTE）頻段，5G頻段的無(wú)線電波在大氣中衰減。

• 降雨和凝結(jié)等水滴引起的衰減在28 GHz頻段尤為明顯。

• 無(wú)線電波的直線度值得注意。

  
  

5G無(wú)線電波由于其高頻而容易衰減，因此范圍有限。無(wú)線局域網(wǎng)也存在同樣的問(wèn)題，例如，在某些情況下，由于IEEE 802.11ax/be中5 GHz頻段的無(wú)線電特性，用戶(hù)已切換到2.4 GHz頻段。

特別是在28 GHz頻段，雨水和凝結(jié)的水滴會(huì)顯著衰減無(wú)線電波。作為對(duì)策，基站天線采用防水涂料和材料來(lái)防止水滴粘附。同時(shí)，為了防止天線性能下降，挑戰(zhàn)在于實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足這兩個(gè)要求的介電材料。此外，以下主題是多項(xiàng)研究的主題：

• 用于墻壁和隔墻等具有高無(wú)線電波透明度的建筑材料

• 抑制高頻電路板中的介電損耗

• 保持穩(wěn)定而不因熱而改變介電常數(shù)的材料

  
  

為了對(duì)這些材料進(jìn)行介電測(cè)量，在考慮測(cè)量環(huán)境溫度變化的同時(shí)，模擬真實(shí)環(huán)境是必要的。

• 由于基材中的雜質(zhì)，電氣特性可能會(huì)出現(xiàn)各向異性。

• 對(duì)于毫米波雷達(dá)，需要在不影響車(chē)輛外觀的情況下確保出色的雷達(dá)性能

  
  

毫米波雷達(dá)貼片天線的印刷電路板包含玻璃布或其他材料，這會(huì)導(dǎo)致電特性的各向異性。各向異性導(dǎo)致模擬結(jié)果和測(cè)量結(jié)果之間存在差異，而材料的特性可能不穩(wěn)定。因此，采取措施消除各向異性，例如在基材中不使用玻璃布。此外，汽車(chē)毫米波雷達(dá)通常安裝在前/后標(biāo)志和保險(xiǎn)杠后面，以免影響車(chē)輛的外觀。因此，這些標(biāo)志和保險(xiǎn)杠需要由金屬漆或樹(shù)脂制成，使其具有豪華的外觀，同時(shí)允許毫米波通過(guò)。為此，正在考慮以下事項(xiàng)。

• 用于覆蓋雷達(dá)的材料和用于在擋風(fēng)玻璃內(nèi)安裝雷達(dá)的材料的介電常數(shù)評(píng)估。

• 對(duì)安裝的無(wú)線電波吸收器進(jìn)行介電常數(shù)評(píng)估，以防止從車(chē)輛和前方護(hù)欄反射的毫米波從前格柵反射

  
  

對(duì)于此類(lèi)材料，根據(jù)樣品的尺寸和形狀，一種可以測(cè)量介電常數(shù)分布的方法很重要。

本節(jié)介紹用于對(duì)通信系統(tǒng)和雷達(dá)中使用的材料進(jìn)行介電測(cè)量系統(tǒng)的基本配置。該系統(tǒng)由三個(gè)主要部分組成（圖2）

圖2 介電常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的基本配置

第一個(gè)是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA），這是一種測(cè)量VNA端口之間幅度和相位頻率特性的測(cè)試設(shè)備。VNA根據(jù)測(cè)量條件產(chǎn)生輸入信號(hào)并捕獲輸出信號(hào)。VNA有小型、便攜但功能強(qiáng)大的型號(hào)，具有廣泛的功能。不同的型號(hào)可用于覆蓋多個(gè)頻率范圍。根據(jù)目標(biāo)和目的選擇最合適的VNA。

產(chǎn)品鏈接：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

第二個(gè)是用于測(cè)量樣品介電常數(shù)的夾具。附上待測(cè)材料的樣品，并連接VNA的輸入/輸出電纜。夾具應(yīng)根據(jù)樣品的類(lèi)型和形狀以及測(cè)量條件進(jìn)行選擇。

第三個(gè)使用VNA自動(dòng)測(cè)量樣品頻率特性的PC軟件。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算樣品的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因子/損耗正切（指示介電材料損耗轉(zhuǎn)化為熱量的程度：DF），并將結(jié)果顯示在PC屏幕上。

夾具和PC軟件由介電常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)供應(yīng)商提供，而VNA由安立等測(cè)量設(shè)備供應(yīng)商提供。

一般介電測(cè)量可分為兩類(lèi)（表1）。

表1 兩種類(lèi)型的介電常數(shù)測(cè)量和目標(biāo)樣品

1）諧振腔法

第一種是“諧振腔法”。這種方法適用于測(cè)量200 MHz至330 GHz頻率范圍內(nèi)的樹(shù)脂（板材和薄膜）、粉末、陶瓷、油等。將樣品放入諧振腔中，通過(guò)VNA測(cè)量諧振頻率變化以獲得介電常數(shù)。此外，介電損耗可以從Q值的變化中確定。這種方法不適合測(cè)量介電損耗較大的材料，如雷達(dá)吸波材料。

2）無(wú)線電傳播方法

第二種方法是“無(wú)線電傳播方法”。這種方法可用于測(cè)量多種樣品，包括樹(shù)脂（板材和薄膜）、油漆、膠粘劑、橡膠和油，只要它們是100μm或更厚的薄膜，并且具有相對(duì)較高的介電損耗。將樣品放置在傳播無(wú)線電波的路徑中，介電常數(shù)由無(wú)線電波對(duì)樣品的透射和反射量確定。

工程師需要考慮以下因素來(lái)選擇最佳的介電常數(shù)測(cè)量方法。

• 根據(jù)測(cè)量樣品介電常數(shù)的頻率范圍來(lái)選擇夾具和測(cè)量系統(tǒng)

• 樣品的性質(zhì)（特別是介電損耗）

• 樣品的厚度和尺寸

• 進(jìn)行測(cè)量的溫度和濕度

• 壓力是否降低。

  
  

例如，無(wú)線電波傳播方法適用于測(cè)量損耗正切DF為0.05或更大的樣品。另一方面，由于應(yīng)用無(wú)線電傳播方法的困難，諧振腔法非常適合測(cè)量DF小于0.05的樣品和薄膜樣品。請(qǐng)注意，即使材料相同，所使用的測(cè)量方法不僅在薄膜樣品和固體樣品之間可能不同，而且特性也可能不同。

較大的樣品往往更容易用VNA檢測(cè)和測(cè)量。然而，如前所述，介電常數(shù)本身可能會(huì)隨著形狀和尺寸的變化而變化。因此，樣品應(yīng)在類(lèi)似于真實(shí)環(huán)境的條件下進(jìn)行測(cè)量。此外，如有必要，工程師需要考慮模擬實(shí)際使用環(huán)境或在減壓下使用夾具進(jìn)行測(cè)量的溫度和濕度變化。

本節(jié)介紹使用VNA的四種方法、適用于每種方法的樣品和測(cè)量條件（圖3）。

圖3 使用VNA測(cè)量介電常數(shù)

1） 測(cè)量橡膠和雷達(dá)吸波材料的探針?lè)?/span>

第一種是基于無(wú)線電傳播方法的“探針?lè)ā保▓D4），適用于測(cè)量半固體材料、液體和固體。介電常數(shù)可以通過(guò)簡(jiǎn)單地將探針與物體接觸來(lái)測(cè)量。測(cè)量頻率范圍約為10 MHz至55 GHz，具體取決于探針的特性。損耗正切的測(cè)量范圍為0.001至10，使該方法適用于廣泛的測(cè)量對(duì)象。探針?lè)ㄒ灿糜谠u(píng)估橡膠、混凝土和其他材料的老化情況。這種配置簡(jiǎn)單便攜。這也可以帶到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。

2） 用于薄膜和高精度介電測(cè)量的法布里-珀羅/開(kāi)放諧振腔法

“法布里-珀羅/開(kāi)放諧振腔法”適用于高精度測(cè)量薄膜和樣品各向異性（圖5）。測(cè)量頻率范圍為20 MHz至170 GHz。對(duì)于損耗正切為0.0001至0.05的材料，可以進(jìn)行高度精確的測(cè)量。

在開(kāi)放諧振腔方法中，單個(gè)諧振腔可以覆蓋毫米波雷達(dá)設(shè)備和用作測(cè)量目標(biāo)的材料所使用的75.6、79和81 GHz的頻率。此外，安立的VNA具有微指令自動(dòng)控制機(jī)制，能夠基于樣品優(yōu)化諧振頻率，提高測(cè)量精度。

圖5 法布里-珀羅諧振腔法測(cè)量系統(tǒng)

表3 法布里-珀羅諧振腔方法的特點(diǎn)

3）TM腔諧振腔法用于測(cè)量粉末、薄膜、板材、液體和需要減壓的樣品

“TM腔諧振腔法”適用于測(cè)量粉末、薄膜、板材和液體，也適用于減壓環(huán)境（圖6）。它也被稱(chēng)為“微擾法”。測(cè)量頻率范圍為200 MHz至10 GHz，覆蓋的頻率范圍低于開(kāi)放式諧振腔方法。與開(kāi)放式諧振腔方法類(lèi)似，這種方法可以處理介電損耗低至0.0001至0.05（低介電損耗）的材料。許多開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)電子設(shè)備中使用的印刷電路板粉末的制造商都使用這種方法。多重諧振不用于高精度測(cè)量。反而為每個(gè)測(cè)量頻率提供一個(gè)夾具。

4）涂漆、多層結(jié)構(gòu)、膠粘劑和液體的自由空間測(cè)量法

基于無(wú)線電傳播方法的“自由空間法”適用于測(cè)量涂漆、多層結(jié)構(gòu)、膠粘劑和液體?！白杂煽臻g法”包括適用于測(cè)量低介電損耗材料的“頻率變化法”和適用于測(cè)量高介電損耗材料的“S參數(shù)法”。自由空間法夾具的天線配備有無(wú)線電波透鏡，以抑制不必要的無(wú)線電波反射，從而允許在自由空間中進(jìn)行測(cè)量，并消除了對(duì)消聲室的需求。這種方法經(jīng)常用于汽車(chē)相關(guān)設(shè)備的開(kāi)發(fā)。

當(dāng)用無(wú)線電波照射扁平樣品時(shí)傳輸衰減的頻率特性與樣品的介電常數(shù)有特定的關(guān)系，頻率變化法通過(guò)利用這個(gè)特性來(lái)測(cè)量介電常數(shù)。測(cè)量頻率范圍為5至330 GHz，相同的測(cè)量方法可以覆蓋很寬的頻率范圍。這種方法可以應(yīng)用于低損耗材料和多層結(jié)構(gòu)，如覆蓋毫米波雷達(dá)的標(biāo)志和天線罩（保護(hù)雷達(dá)天線的圓頂狀蓋子）。此外，與S參數(shù)法相比，該方法具有簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，可以通過(guò)零點(diǎn)校準(zhǔn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)量，并且其精度即使在含氟聚合物和合成鉆石的情況下也可以進(jìn)行測(cè)量。檢查樣品的各向異性也很容易。此外，由于樣品可以用平面波測(cè)量，因此可以獲得高測(cè)量精度，相對(duì)介電常數(shù)測(cè)量的重復(fù)性為±1%，損耗正切測(cè)量的重復(fù)性為±3%。

使用S參數(shù)法，用無(wú)線電波照射樣品，并通過(guò)將穿過(guò)樣品的量和反射量之間的差視為吸收來(lái)確定介電常數(shù)。測(cè)量頻率范圍為45 MHz至170 GHz。除了介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因子外，磁導(dǎo)率也可以用這種方法測(cè)量。在18至170 GHz的范圍內(nèi)，只需更改軟件即可使用與頻率變化法相同的夾具。請(qǐng)注意，應(yīng)在測(cè)量前進(jìn)行直通-反射-線（TRL）/線-反射-線（LRL）校準(zhǔn)。測(cè)量精度有限，因?yàn)樗鼪](méi)有考慮在沒(méi)有傳感器檢測(cè)無(wú)線電波的方向上的反射。

   a)頻率變化法

1.    b)S參數(shù)法
   

表6 自由空間法（S參數(shù)法）的特點(diǎn)

安立公司提供了一系列矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA），可以精確滿(mǎn)足各種測(cè)量需求（圖8），包括緊湊易用的單端口經(jīng)濟(jì)型和高輸出功率的性能型，如Shockline?系列。安立公司還提供多功能高級(jí)型號(hào)的VectorStar?系列。

圖8 安立公司矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀系列

1、用于探針?lè)ǖ腣NA

在具有簡(jiǎn)單系統(tǒng)配置的探針?lè)ㄖ?，可以使用?jiǎn)單的夾具和PC將緊湊輕便的單端口VNA放到各個(gè)位置，以測(cè)量無(wú)法從現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)的實(shí)際設(shè)備的介電常數(shù)。安立公司提供最高頻率為6 GHz的MS46121B和最高頻率8 GHz/20 GHz/43.5 GHz的MS46131A，作為單端口型號(hào)，以滿(mǎn)足各種應(yīng)用。

2、用于諧振腔法的VNA

使用開(kāi)放式和TM腔諧振腔進(jìn)行測(cè)量需要單獨(dú)的輸出和輸入，這使得雙端口VNA成為這些應(yīng)用的理想選擇。

對(duì)于涵蓋相對(duì)高頻范圍內(nèi)測(cè)量的開(kāi)放式諧振腔方法，可以使用具有以下可測(cè)量頻率范圍的VNA。

• MS464×B：10 MHz至40/70 GHz

• ME7838A/D：70 kHz至110/125/145 GHz

對(duì)于覆蓋相對(duì)低頻率的TM腔諧振腔方法，可以使用以下VNA。

• MS46122B和MS46522B：1 MHz至8/20/43.5 GHz

3、用于自由空間法的VNA

在執(zhí)行自由空間法時(shí)，也選擇了2端口VNA。當(dāng)應(yīng)用自由空間法之一時(shí)，頻率變化法是合適的，它可以用相同的方法覆蓋很寬的頻率范圍。

• MS46522B 1 MHz至8.5/20/43.5 GHz

• ME7838A/D 70 kHz至110/125/145 GHz

除了5G的發(fā)展，還需要測(cè)量高達(dá)300 GHz頻段的介電常數(shù)，通過(guò)用頻率擴(kuò)展模塊替換ME7838′系列的毫米波模塊，也可以處理這些極高頻頻段的應(yīng)用。

對(duì)于E波段汽車(chē)?yán)走_(dá)應(yīng)用，MS46522B-08′可用于55至95 GHz之間的頻率，ME7838A/D可用于上述寬頻范圍。

另一方面，對(duì)于高達(dá)43.5 GHz頻率范圍內(nèi)的測(cè)量，只要具有2端口VNA，即使是相對(duì)合理的型號(hào)也可以使用。一個(gè)例子是MS46122B。如果待測(cè)樣品具有較大的介電損耗，可以選擇Shockline系列中的另一款高輸出型號(hào)MS46522B。MS46522B其巧妙的設(shè)計(jì)使測(cè)量電纜能夠輕松連接到夾具，而不需要麻煩的維護(hù)。

本文針對(duì)新的毫米波技術(shù)應(yīng)用即5G和汽車(chē)?yán)走_(dá)應(yīng)用中產(chǎn)生的材料介電特性測(cè)量需求，介紹了測(cè)量介電常數(shù)的諧振腔法和無(wú)線電傳播方法，據(jù)此重點(diǎn)提到了用VNA進(jìn)行材料介電常數(shù)測(cè)量的4種方案，包括探針?lè)?、開(kāi)放式諧振腔法、TM腔諧振腔法、自由空間法，最后介紹了安立公司針對(duì)這4種方案提供的VNA產(chǎn)品，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、研發(fā)和測(cè)試工程師選擇介電常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)中的矢網(wǎng)具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義，供大家參考。