無論是用指定某一款PCB材料或者已知PCB材料進行電路設(shè)計，或者是用材料的Dk值進行仿真，對設(shè)計工程師來說，介電常數(shù)（Dk或相對介電常數(shù)）都是一個重要的起點。尤其是在較高的毫米波頻率下，波長較短，電路尺寸必須非常精確，介質(zhì)基板的Dk，電路材料的Dk準確性可能直接影響原型設(shè)計是否成功。電路材料的Dk值是根據(jù)電路材料的已知物理參數(shù)和測量過程中使用的電路形式和夾具的測量來確定的。

實際上，沒有一種完美的Dk測量方法。正是這個原因，有許多不同的Dk測試技術(shù)都試圖實現(xiàn)盡可能的最高精度。不同方法的實施難度和精度各不相同，即使在相同頻率、溫度下，測試同一個材料時，也可能會產(chǎn)生不同的Dk值。由于毫米波的應(yīng)用，對電子電路的需要越來越多，所以Dk值的不確定性可能造成設(shè)計過程緩慢。當材料的Dk與宣稱值不同時，利用該材料制作的電路樣品的Dk值必須盡可能準確以確保性能，尤其是精細特征的毫米波電路的電氣性能。不同的Dk測試方法會產(chǎn)生不同的Dk測定結(jié)果，因此對Dk測試的具體不同點和意義有一個基本的認識，能夠很好的幫助毫米波下的電路設(shè)計。

隨著電路和應(yīng)用的頻率不斷增加，已經(jīng)開發(fā)出了多種不同的方法，用于確定材料Dk和損耗因子（Df）等基本參數(shù)。所有測試方法大致可分為基于原材料和基于電路的兩大類?；谠牧系腄k測試方法往往將材料放入一個特定測試夾具中，而基于電路的測試方法則會在這種材料上制作一個參考電路或結(jié)構(gòu)，并從該電路或結(jié)構(gòu)的測量結(jié)果中推導出材料的Dk。大部分基于原材料的Dk測試方法測量的是無導電銅箔層的純介質(zhì)材料，而基于電路的材料測量則包含導體的影響。

基于原材料的Dk測試方法通常測定單一頻率和溫度下的Dk值，而基于電路的Dk測試方法可以根據(jù)試驗電路的類型，測試某一個頻率范圍的進行Dk值。另外，基于傳輸線結(jié)構(gòu)的電路，例如微帶線和帶狀線，可以通過連續(xù)掃頻測量進行頻率范圍內(nèi)的值，而使用諧振器的試驗電路也僅可以測試單一頻率下的值。

許多Dk測量方法根據(jù)如IPC等行業(yè)組織的規(guī)定進行了標準化處理，例如，IPC TM-650匯集了用于確定PCB的Dk、損耗因子（Df）和其它基本材料參數(shù)的測試方法。然而，即使進行了標準化處理，而且對于測量的過程有明確的指導規(guī)則，但是對于同一種材料，不同的Dk測量方法仍可能會產(chǎn)生不同的Dk值，這僅僅是因為每種測量所涉及的變量不同。了解Dk測試方法的差異能夠為設(shè)計人員在比較材料和Dk值時提供幫助和理解，尤其是當這些數(shù)值用不同方法測定時。

由于不同的Dk測試方法可能產(chǎn)生不同的Dk值，所以材料供應(yīng)商特別是羅杰斯公司為同一種材料提供了多個Dk值：“過程”Dk和“設(shè)計”Dk。這里的過程Dk值是根據(jù)IPC-TM-650 2.5-5.5標準測試方法，測試單一頻率和溫度下的Dk值。而設(shè)計Dk值則是頻率范圍內(nèi)的一系列值。對于大部分設(shè)計人員來說，設(shè)計Dk值為工程師提供了更為具體的某一頻率下的材料的Dk值，特別是所設(shè)計電路的工作頻率下的值。如的確沒有相應(yīng)的Dk值，例如在毫米波頻率（30到300GHz）下，設(shè)計人員可能就不得不在相應(yīng)的感興趣的頻率上進行自己的Dk測量。不同的Dk測試方法會產(chǎn)生不同的Dk值，了解該事實后，在采用不同的Dk測量方法時，則可以更好地理解測試所得到的Dk值含義。

Dk測試方法的對比

每種Dk測試方法的精度受多種因素的影響，例如測試設(shè)備（如矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA）的校準精度、基于原材料的測量中使用的夾具的變化，或基于電路的Dk測量中使用的傳輸線或諧振結(jié)構(gòu)的加工中發(fā)生的變化等。大部分電路材料是各向異性的，也就是Dk值在材料的x（長度）、y（寬度）和z（厚度）軸均有所不同。雖然測定x軸和y軸上的Dk值的方法也是有用的，但z軸上的Dk值的測量通常最值得關(guān)注，因為它表示的是大部分電路的傳輸線的材料的Dk值。

羅杰斯公司所使用的夾緊式帶狀線諧振器測試方法是IPC-TM-650 2.5-5.5定義的標準測試方法，用來測試電路材料的過程Dk值和損耗因子（Df）。這兩個參數(shù)均是測試材料厚度或z軸方向的值。該測試方法準確高且可重復，但是僅測試的是單一頻率下的Dk值，例如10GHz的Dk值；且它表征的是無導電金屬銅箔的純介質(zhì)材料的特征。為了執(zhí)行這一測試，需要將PCB層壓板蝕刻去除掉銅箔后，將被測介質(zhì)材料放置于內(nèi)部含有諧振器的夾具中進行測量。通過夾具兩側(cè)的接地板，與夾具內(nèi)含的諧振器共同構(gòu)成一個帶狀線諧振。為了進行重復且準確的測量，試驗夾具必須謹慎裝配，這是因為裝有被測材料的夾具中滯留的空氣（Dk值為1）會成為測試的一部分，降低材料測定的Dk值。

測試夾具是所有基于原材料的Dk測試裝置的基本構(gòu)件。夾具通常使用某些形式的諧振器，測量諧振頻率和材料厚度等物理參數(shù)從而測定材料的Dk值。所以，基于原材料的Dk測試的可重復性和精度更多的取決于試驗夾具的精度，相比之下，基于電路的Dk測量方法的可重復性和精度取決于電路的加工影響。

很多不同類型的諧振結(jié)構(gòu)被用于測定電路材料Dk值，如分離柱介質(zhì)諧振器（SPDR）法、全板諧振（FSR）法和分離式圓柱形諧振器法等，這些都是IPC-TM-650 測量方法中定義的方法。SPDR測量將一個充滿空氣的諧振腔（空腔）與相同的裝有被測材料的腔體做比較，得出所測材料的Dk值。該方法的精度取決于材料厚度測量和諧振腔尺寸的準確測量。

SPDR測定的是材料x-y平面上的Dk值，而非z軸方向上的Dk值。FSR測量使用了一塊帶有完整銅箔的材料，通過掃頻測量找到駐波或諧振峰獲得Dk值。被測的帶有完整銅箔的PCB板類似開口平行板波導的工作模式，進而測量該材料板的長度上的駐波。材料尺寸和諧振頻率能夠提供充足信息推導出材料在該諧振頻率下的Dk值。該方法適用于波長長、頻率低的應(yīng)用，但是在測定較薄材料時不夠準確。

分離式圓柱形諧振器方法需要將一個被測材料樣品放在上下圓柱形諧振腔之間。圓柱形諧振腔的一半固定，另一半可以移動，上下圓柱體之間有一個可調(diào)間隙，以適應(yīng)被測材料的不同厚度。在上下圓柱體的側(cè)孔中通過一個小的耦合環(huán)，測量與材料的x-y平面相切的電場，以測定Dk值。

基于電路的Dk測量方法在應(yīng)用和產(chǎn)生的結(jié)果方面也是不同的。這些方法可能取決于傳輸線電路或結(jié)構(gòu)的傳輸和反射特性的測量，或取決于諧振電路頻率和相位的測量。傳輸線類型包括微帶線、帶狀線和共面波導（CPW），而諧振電路包括環(huán)形諧振器以及將諧振器作為電路單元的帶通濾波器的結(jié)構(gòu)。

測量的精度取決于材料和電路物理尺寸的精確測量，例如傳輸線寬度、銅導體厚度以及介質(zhì)厚度等。這些測量在毫米波電路和結(jié)構(gòu)的尺寸上更具有挑戰(zhàn)性。介質(zhì)材料厚度的變化以及銅箔導體的粗糙度可能造成傳輸線上信號路徑的變化，這些變化在毫米波頻率下更加顯著，而且還會降低Dk測定精度。較光滑的銅箔導體會縮短傳輸線上信號傳輸路徑而得到不同的Dk測量值。電路的這些物理偏差對于諧振器類的電路Dk測量來說也非常重要，因為在諧振器電路中，頻率和相位的精確測量是至關(guān)重要的。

為了能測定電路材料的Dk值，很多測試方法被提出和驗證。用同一種測試方法在不同時間測試同一個被測樣品材料，可以得到相同的Dk值；而對于使用不同的測試方法測量同一被測樣品會得到不同的Dk值。簡單來說，測試電路和夾具的變化造成了Dk值變化。這種變化可以通過每次使用相同的測試方法來將Dk值變化最小化，但是該測試方法可能不支持提供感興趣的應(yīng)用（例如頻率）下的Dk值，例如在毫米波頻率下的值。更好地了解Dk測試方法和它的變化，雖然不可能找到完美的Dk測試，但是對于相關(guān)應(yīng)用，至少可以采用最佳Dk測量方法進行測定。

審核編輯：劉清