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

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 using substrate 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f_110,i进行修正，公式中的i代表第i个谐振腔的标号：

$f_{L,i}=(1+\frac{A_i}{2Q_{e,i}})\times f_{110,i}---\left(1\right)$

其中Q_e,i是第i个谐振腔的外部品质因数，f_L,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，A_i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。Q_e,i可以下面的公式(2)中计算得出：

$\frac{1}{Q_{e,i}}=\frac{1}{Q_{L,i}}-\frac{1}{Q_{u,i}}---\left(2\right)$

其中Q_L,i为第i个腔的有载品质因数，可以从S参数曲线中算出，Q_u,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：

Q_u,i＝Q_L,i(1+β_i)               (3)

其中β_i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f_110,i与介电常数ε_r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：

$\frac{1}{Q_{d,i}}=\frac{1}{Q_{u,i}}-\frac{1}{Q_{c,i}}=\tan \delta ---\left(4\right)$

其中，tanδ为介质的损耗角正切值。Q_c,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ε_r。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ε_r。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Q_L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

表2 基于仿真数据的损耗角正切测量结果

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。