技術(shù)文章 | 毫米波材料的介電測量解決方案

微波是指頻率為300MHz~300GHz的電磁波，是無線電波中一個有限頻帶的簡稱，即波長在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。微波頻率比一般的無線電波頻率高，通常也稱為“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、吸收三個特性。對于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對于水和食物等就會吸收微波而使自身發(fā)熱。而對金屬類東西，則會反射微波。

毫米波 （millimeter wave ）：波長為1～10毫米的電磁波稱毫米波，它位于微波與遠(yuǎn)紅外波相交疊的波長范圍，因而兼有兩種波譜的特點。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、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現(xiàn)低仰角精密跟蹤雷達和成像雷達。在遠(yuǎn)程導(dǎo)彈或航天器重返大氣層時，需采用能順利穿透等離子體的毫米波實現(xiàn)通信和制導(dǎo)。高分辨率的毫米波輻射計適用于氣象參數(shù)的遙感。用毫米波和亞毫米波的射電天文望遠(yuǎn)鏡探測宇宙空間的輻射波譜可以推斷星際物質(zhì)的成分。

圖1 無線電波的波長/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=損耗正切也稱為介質(zhì)損耗因子。

毫米波等高頻無線電波具有“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終端和汽車?yán)走_的射頻Tx/Rx性能。因此，為了實現(xiàn)更好的功能和性能，正在開發(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)的測量對于介電應(yīng)用變得非常重要。例如，開發(fā)汽車應(yīng)用的高介電材料需要溫度循環(huán)測量。人們也越來越需要能夠測量多層結(jié)構(gòu)，如汽車標(biāo)志，它結(jié)合了車身材料和表面，以及由幾種具有不同性能的材料組成的復(fù)合材料。

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

• 相對于4G（LTE）頻段，5G頻段的無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。

• 無線電波的直線度值得注意。

  
  

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

特別是在28 GHz頻段，雨水和凝結(jié)的水滴會顯著衰減無線電波。作為對策，基站天線采用防水涂料和材料來防止水滴粘附。同時，為了防止天線性能下降，挑戰(zhàn)在于實現(xiàn)滿足這兩個要求的介電材料。此外，以下主題是多項研究的主題：

• 用于墻壁和隔墻等具有高無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

  
  

為了對這些材料進行介電測量，在考慮測量環(huán)境溫度變化的同時，模擬真實環(huán)境是必要的。

• 由于基材中的雜質(zhì)，電氣特性可能會出現(xiàn)各向異性。

• 對于毫米波雷達，需要在不影響車輛外觀的情況下確保出色的雷達性能

  
  

毫米波雷達貼片天線的印刷電路板包含玻璃布或其他材料，這會導(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，汽車毫米波雷達通常安裝在前/后標(biāo)志和保險杠后面，以免影響車輛的外觀。因此，這些標(biāo)志和保險杠需要由金屬漆或樹脂制成，使其具有豪華的外觀，同時允許毫米波通過。為此，正在考慮以下事項。

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

• 對安裝的無線電波吸收器進行介電常數(shù)評估，以防止從車輛和前方護欄反射的毫米波從前格柵反射

  
  

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

本節(jié)介紹用于對通信系統(tǒng)和雷達中使用的材料進行介電測量系統(tǒng)的基本配置。該系統(tǒng)由三個主要部分組成（圖2）

圖2 介電常數(shù)測量系統(tǒng)的基本配置

第一個是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA），這是一種測量VNA端口之間幅度和相位頻率特性的測試設(shè)備。VNA根據(jù)測量條件產(chǎn)生輸入信號并捕獲輸出信號。VNA有小型、便攜但功能強大的型號，具有廣泛的功能。不同的型號可用于覆蓋多個頻率范圍。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

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

第三個使用VNA自動測量樣品頻率特性的PC軟件。根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算樣品的介電常數(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)測量系統(tǒng)供應(yīng)商提供，而VNA由安立等測量設(shè)備供應(yīng)商提供。

一般介電測量可分為兩類（表1）。

表1 兩種類型的介電常數(shù)測量和目標(biāo)樣品

1）諧振腔法

第一種是“諧振腔法”。這種方法適用于測量200 MHz至330 GHz頻率范圍內(nèi)的樹脂（板材和薄膜）、粉末、陶瓷、油等。將樣品放入諧振腔中，通過VNA測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。這種方法不適合測量介電損耗較大的材料，如雷達吸波材料。

2）無線電傳播方法

第二種方法是“無線電傳播方法”。這種方法可用于測量多種樣品，包括樹脂（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，并且具有相對較高的介電損耗。將樣品放置在傳播無線電波的路徑中，介電常數(shù)由無線電波對樣品的透射和反射量確定。

工程師需要考慮以下因素來選擇最佳的介電常數(shù)測量方法。

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

• 樣品的性質(zhì)（特別是介電損耗）

• 樣品的厚度和尺寸

• 進行測量的溫度和濕度

• 壓力是否降低。

  
  

例如，無線電波傳播方法適用于測量損耗正切DF為0.05或更大的樣品。另一方面，由于應(yīng)用無線電傳播方法的困難，諧振腔法非常適合測量DF小于0.05的樣品和薄膜樣品。請注意，即使材料相同，所使用的測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檢測和測量。然而，如前所述，介電常數(shù)本身可能會隨著形狀和尺寸的變化而變化。因此，樣品應(yīng)在類似于真實環(huán)境的條件下進行測量。此外，如有必要，工程師需要考慮模擬實際使用環(huán)境或在減壓下使用夾具進行測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量條件（圖3）。

圖3 使用VNA測量介電常數(shù)

1） 測量橡膠和雷達吸波材料的探針法

第一種是基于無線電傳播方法的“探針法”（圖4），適用于測量半固體材料、液體和固體。介電常數(shù)可以通過簡單地將探針與物體接觸來測量。測量頻率范圍約為10 MHz至55 GHz，具體取決于探針的特性。損耗正切的測量范圍為0.001至10，使該方法適用于廣泛的測量對象。探針法也用于評估橡膠、混凝土和其他材料的老化情況。這種配置簡單便攜。這也可以帶到現(xiàn)場進行現(xiàn)場測量。

2） 用于薄膜和高精度介電測量的法布里-珀羅/開放諧振腔法

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

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

圖5 法布里-珀羅諧振腔法測量系統(tǒng)

表3 法布里-珀羅諧振腔方法的特點

3）TM腔諧振腔法用于測量粉末、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）。它也被稱為“微擾法”。測量頻率范圍為200 MHz至10 GHz，覆蓋的頻率范圍低于開放式諧振腔方法。與開放式諧振腔方法類似，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量。反而為每個測量頻率提供一個夾具。

4）涂漆、多層結(jié)構(gòu)、膠粘劑和液體的自由空間測量法

基于無線電傳播方法的“自由空間法”適用于測量涂漆、多層結(jié)構(gòu)、膠粘劑和液體?！白杂煽臻g法”包括適用于測量低介電損耗材料的“頻率變化法”和適用于測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線電波透鏡，以抑制不必要的無線電波反射，從而允許在自由空間中進行測量，并消除了對消聲室的需求。這種方法經(jīng)常用于汽車相關(guān)設(shè)備的開發(fā)。

當(dāng)用無線電波照射扁平樣品時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，頻率變化法通過利用這個特性來測量介電常數(shù)。測量頻率范圍為5至330 GHz，相同的測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)，如覆蓋毫米波雷達的標(biāo)志和天線罩（保護雷達天線的圓頂狀蓋子）。此外，與S參數(shù)法相比，該方法具有簡單的優(yōu)點，可以通過零點校準(zhǔn)進行簡單的測量，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行測量。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量，因此可以獲得高測量精度，相對介電常數(shù)測量的重復(fù)性為±1%，損耗正切測量的重復(fù)性為±3%。

使用S參數(shù)法，用無線電波照射樣品，并通過將穿過樣品的量和反射量之間的差視為吸收來確定介電常數(shù)。測量頻率范圍為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。請注意，應(yīng)在測量前進行直通-反射-線（TRL）/線-反射-線（LRL）校準(zhǔn)。測量精度有限，因為它沒有考慮在沒有傳感器檢測無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

安立公司提供了一系列矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA），可以精確滿足各種測量需求（圖8），包括緊湊易用的單端口經(jīng)濟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型號的VectorStar?系列。

圖8 安立公司矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀系列

1、用于探針法的VNA

在具有簡單系統(tǒng)配置的探針法中，可以使用簡單的夾具和PC將緊湊輕便的單端口VNA放到各個位置，以測量無法從現(xiàn)場移動的實際設(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，以滿足各種應(yīng)用。

2、用于諧振腔法的VNA

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

對于涵蓋相對高頻范圍內(nèi)測量的開放式諧振腔方法，可以使用具有以下可測量頻率范圍的VNA。

• MS464×B：10 MHz至40/70 GHz

• ME7838A/D：70 kHz至110/125/145 GHz

對于覆蓋相對低頻率的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，也選擇了2端口VNA。當(dāng)應(yīng)用自由空間法之一時，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，還需要測量高達300 GHz頻段的介電常數(shù)，通過用頻率擴展模塊替換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。

對于E波段汽車?yán)走_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，對于高達43.5 GHz頻率范圍內(nèi)的測量，只要具有2端口VNA，即使是相對合理的型號也可以使用。一個例子是MS46122B。如果待測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MS46522B。MS46522B其巧妙的設(shè)計使測量電纜能夠輕松連接到夾具，而不需要麻煩的維護。

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