T-CSTM 00986-2023 高頻介質(zhì)基板的復(fù)介電常數(shù)測(cè)試 平衡型圓盤(pán)諧振器法

Testmethodforthecomplexpermittivityofhigh-frequencydielectric-Balanced-typecirculardiskresonatormethod2023-04-07發(fā)布2023- 2 3 4 4 4 4 5 5 6 6 6 6 6 6 6 6 8 請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專(zhuān)利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專(zhuān)利的責(zé)任。3b）細(xì)化了測(cè)試步驟，包括樣品預(yù)處理、樣品制備與安裝、測(cè)試操作步驟，提高測(cè)試的一致性和可c）描述了在試驗(yàn)過(guò)程中影響試驗(yàn)結(jié)果的注4高頻介質(zhì)基板的復(fù)介電常數(shù)測(cè)試平衡型圓盤(pán)諧振器法題。使用者有責(zé)任采取適當(dāng)?shù)陌踩徒】荡胧?，并保證本文件規(guī)定了介質(zhì)基板在微波和毫米波頻段的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切的平衡型圓盤(pán)測(cè)試方法，包括原理、環(huán)境條件、儀器設(shè)備、樣品要求、測(cè)試步驟、注意事項(xiàng)和試驗(yàn)報(bào)告等內(nèi)容。本文件適用于測(cè)試片狀材料在微波和毫米波頻段的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切，電場(chǎng)垂直于平板表面。頻率測(cè)試范圍：f=5GHz~170GHz；介電常數(shù)測(cè)試范圍：εr=2.0~10.0；下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T2036印制板電路術(shù)語(yǔ)GB/T2036界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。介電常數(shù)dielectricconstant規(guī)定形狀電極之間填充電介質(zhì)獲得的電容量于相同結(jié)構(gòu)電極間以真空或空氣介質(zhì)時(shí)的電容量之比。[來(lái)源：GB/T2036-1994，6.3.6]介電損耗角正切dielectricdissipationfactor對(duì)電介質(zhì)施加正弦波電壓時(shí)，通過(guò)介質(zhì)的電流相量超前于電壓相量間的相角的余角稱(chēng)為損耗角，對(duì)該損耗角取正切函數(shù)值，即為介質(zhì)損耗角正切值。[來(lái)源：GB/T2036-1994，6.3.7，有修改]4符號(hào)和縮略語(yǔ)：真空介電常數(shù)，約等于8.854187817×10-12F/m:,相對(duì)介電常數(shù)實(shí)部，簡(jiǎn)稱(chēng)介電常數(shù)，同義詞：Dk:,介5t：金屬圓盤(pán)厚度，mmd單片樣品厚度，mmR：金屬圓盤(pán)半徑，mma耦合孔半徑，mmM耦合孔高度，mmf諧振頻率，HzQ：品質(zhì)因數(shù)通過(guò)將待測(cè)樣品、金屬圓盤(pán)和上下金屬板共同構(gòu)成平衡型圓盤(pán)諧振器，從而進(jìn)行測(cè)試。該方法使用的諧振器結(jié)構(gòu)如圖1所示，半徑為R的薄型金屬圓盤(pán)夾在一對(duì)具有相同厚度t和介電特性εr'和tanδ的待測(cè)電介質(zhì)基板樣品之間，然后整個(gè)樣品夾在兩個(gè)平行的金屬板之間。諧振器由耦合探針通過(guò)半徑為a和長(zhǎng)度為M的耦合孔激勵(lì)和檢測(cè)。諧振器的諧振特性與介質(zhì)介電特性相關(guān)，通過(guò)測(cè)試加載樣品時(shí)諧振器的諧振頻率f和品質(zhì)因數(shù)Q，即可計(jì)算得到樣品的介電常數(shù)和損耗角正切。計(jì)算公式參見(jiàn)附錄A。在測(cè)量時(shí)，采用TM0m0模式，因此只有與樣品平面垂直方向的電場(chǎng)分量。圖1諧振器結(jié)構(gòu)示意圖試驗(yàn)環(huán)境條件如下：a)溫度：23℃±2℃;6b)濕度：50%±5%。所需儀器設(shè)備如下：a)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，頻率范圍應(yīng)覆蓋所需最高測(cè)試頻率，動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)大于80dB；b)圓盤(pán)諧振器法測(cè)試系統(tǒng)，參見(jiàn)附錄B；c)d)千分尺，分辨率不低于0.001mm；e)游標(biāo)卡尺，分辨率不低于0.01mm。樣品要求如下：a)樣品數(shù)量為2塊/組，應(yīng)為同一樣片或同批次材料加工而成，橫向尺寸為65mm×65mm或其他規(guī)定尺寸；b)樣品厚度t為0.1mm~2mm（具體視、以及測(cè)試的頻率范圍而定厚度公差≤0.01mm；c)若基板為表面覆金屬箔，應(yīng)當(dāng)用蝕刻方法去除掉所有的金屬箔并清洗干凈；d)樣品成分均勻，且表面應(yīng)無(wú)不正常斑點(diǎn)，內(nèi)部無(wú)不正常的雜質(zhì)和氣孔，在測(cè)試前應(yīng)嚴(yán)格清潔和干燥9測(cè)試步驟9.1樣品預(yù)處理樣品按以下流程進(jìn)行處理：a)根據(jù)樣品屬性，選擇酒精、異丙醇或者蒸餾水（特殊情況可根據(jù)基板制造商要求使用指定的清洗液）作為清洗液，將樣品完全浸入清洗液中超聲清洗不低于10min；b)c)烘干后，樣品應(yīng)放入干燥皿中冷卻至室溫（23℃±2℃),冷卻后存儲(chǔ)時(shí)間不超過(guò)45min；d)操作前應(yīng)戴上手套或者用鑷子夾取樣品，請(qǐng)勿用手直接接觸樣品，請(qǐng)勿在樣品上寫(xiě)字或貼標(biāo)簽等。9.2儀器準(zhǔn)備矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀應(yīng)在校準(zhǔn)周期內(nèi)進(jìn)行檢定，按照制造廠(chǎng)家給定的開(kāi)機(jī)預(yù)熱時(shí)間進(jìn)行預(yù)熱或至少開(kāi)機(jī)預(yù)熱30min，使儀器達(dá)到穩(wěn)定。9.3樣品尺寸測(cè)量使用千分尺測(cè)量樣品四邊中點(diǎn)厚度，共計(jì)4個(gè)點(diǎn)，取平均值并記錄。操作前應(yīng)戴上手套，請(qǐng)勿用手直接接觸樣品，請(qǐng)勿在樣品上寫(xiě)字或者貼標(biāo)簽，會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。9.4樣品安裝樣品安裝參見(jiàn)附錄C。7常溫測(cè)試步驟如下：a)將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀兩個(gè)端口通過(guò)電纜連接，進(jìn)行直通校準(zhǔn)或響應(yīng)校準(zhǔn)；b)將安裝有被測(cè)樣品的測(cè)試夾具放置在平衡型圓盤(pán)諧振器法測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試加壓塊上，并將耦合探針接口與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的雙端口連接；c)通過(guò)調(diào)節(jié)上下兩塊金屬板之間的距離，對(duì)樣品施加適當(dāng)?shù)膲毫Γㄍ扑]施加壓力：①軟板：200kg；②硬板：250kgd)設(shè)置掃描頻率，觀(guān)察所要測(cè)試頻率范圍內(nèi)的諧振峰值；e)利用探針調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)耦合探針與樣品表面的距離M，將耦合量至-40dB(±1dB）或設(shè)備要求值；f)測(cè)量諧振器的諧振頻率f和品質(zhì)因數(shù)Q；g)使用自動(dòng)測(cè)量讀取數(shù)據(jù)軟件直接計(jì)算介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切，并記錄；h)測(cè)試不同頻率點(diǎn)的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切，重復(fù)步驟9.5d)~9.5g)。注意事項(xiàng)如下：a)測(cè)試過(guò)程中應(yīng)佩戴連接至設(shè)備的防靜電手環(huán)；b)連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀電纜時(shí)，應(yīng)使用制造供應(yīng)商提供的力矩扳手旋緊；c)定期清潔測(cè)試頭、標(biāo)準(zhǔn)物、夾具；d)定期對(duì)于壓力表進(jìn)行標(biāo)定；e)定期檢查上下金屬板是否變形，若已變形請(qǐng)及時(shí)更換；f)對(duì)樣品施加壓力會(huì)影響介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切的測(cè)試結(jié)果。壓力過(guò)小，被測(cè)樣品與金屬圓盤(pán)的接觸面間產(chǎn)生空氣縫隙，從而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的偏差。壓力過(guò)大，樣品產(chǎn)生形變，測(cè)試結(jié)果會(huì)因?yàn)楹穸鹊淖兓a(chǎn)生誤差。測(cè)試時(shí)，應(yīng)根據(jù)樣品硬度和平面度，施加合適的壓力。當(dāng)壓力增加至一個(gè)定值，諧振器的諧振頻率降低量小于f0×5×10?4時(shí)，可選擇該壓力為正常測(cè)試壓力；g)由于上下金屬板和金屬圓盤(pán)的導(dǎo)電性會(huì)因金屬氧化和表面劃傷而降低，因此應(yīng)定期檢查諧振器的金屬質(zhì)量。它可以通過(guò)使用雙介質(zhì)諧振器方法測(cè)量電導(dǎo)率來(lái)檢驗(yàn)；也可以通過(guò)定期測(cè)量相同的低損耗標(biāo)準(zhǔn)樣件來(lái)檢驗(yàn)，通過(guò)檢驗(yàn)指定驗(yàn)證樣品的損耗角正切測(cè)量結(jié)果的再現(xiàn)性，判斷諧振器金屬的表面特性變化。若檢驗(yàn)結(jié)果超出誤差要求，則需要重新對(duì)金屬板的表面進(jìn)行處理，更換金屬圓盤(pán)。試驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包括但不限于以下內(nèi)容：a)測(cè)試環(huán)境（溫度、濕度b)測(cè)試頻率；c)樣品厚度；d)測(cè)試頻率下的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值的測(cè)試值以及平均值；e)試樣預(yù)處理?xiàng)l件；f)試驗(yàn)中的異常情況或與規(guī)定程序的差異和偏差。附錄A（資料性）介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切計(jì)算A.1利用模式匹配算法理論推導(dǎo)得到平衡型圓盤(pán)諧振器的待求解方程（A.1）和（A.2通過(guò)代入金屬圓盤(pán)和介質(zhì)的尺寸信息，以及TM0m0模式的諧振頻率f0和空載Q值Qu的測(cè)量值，求解方程即可獲得垂直于介質(zhì)基板的εr'和tanδ,其中準(zhǔn)確考慮了耦合孔的影響： （A.1） （A.2）其中，矩陣元素表達(dá)式如（A.3）和（A.4） （A.3） （A.4）H——是由模式匹配法推導(dǎo)出的N×N矩陣，矩陣元素為Hlq；N——是模式匹配分析的級(jí)數(shù)展開(kāi)項(xiàng)數(shù)；δlq——是Kroneckerδ函數(shù)；αq——是耦合孔區(qū)域的傳播常數(shù)；βp——是介質(zhì)區(qū)域的傳播常數(shù)；J1(x)——是1階第一類(lèi)貝塞爾函數(shù)；vq——是1階第一類(lèi)貝塞爾函數(shù)的第q個(gè)根；J0(x)——是0階第一類(lèi)貝塞爾函數(shù)；up——是0階第一類(lèi)貝塞爾函數(shù)的第p個(gè)根；Qc——是由于導(dǎo)體損耗引起的Q值；W1和W2——分別是存儲(chǔ)在介質(zhì)材料區(qū)域和耦合間隙中的電能。W1和W2由模式匹配分析計(jì)算得出，Qc可以近似為公式（A.5）： （A.5）——導(dǎo)體的趨膚深度；——導(dǎo)體的電導(dǎo)率，可以通過(guò)雙介質(zhì)諧振器法或圓柱腔法測(cè)量；——真空磁導(dǎo)率，約等于4π×10-7N·A-2。A.2最高可測(cè)量頻率受以下三個(gè)截止頻率的限制：1)用于激勵(lì)諧振器的同軸線(xiàn)的截止頻率fcCoax；2)耦合孔的截止頻率fcHole；3)通過(guò)介質(zhì)樣品的徑向輻射的截止頻率fcRad。fcHole為半徑為a的圓形波導(dǎo)的TM01模式的截止頻率，由公式（A.6）給出： （A.6）χ01——是J0(x)=0的第一個(gè)根，其值約為2.4048；J0(x)——是0階第一類(lèi)貝塞爾函數(shù)。fcRad由樣品厚度t和相對(duì)介電常數(shù)εr'確定，由公式（A.7）給出： （A.7）c——真空中的光速，2.99792458×1011mm/s。A.3圖A.1顯示了在R=15mm、a=0.5mm、M=5mm時(shí)TM0m0模式f0和εr'之間的關(guān)系，圖A.1a)和b)分別對(duì)應(yīng)樣品厚度d=0.5mm和d=0.3mm。a)d=0.5mmb)d=0.3mm圖A.1諧振頻率與相對(duì)介電常數(shù)之間的關(guān)系A(chǔ).4εr'和tanδ的測(cè)量不確定度通過(guò)考慮諧振頻率f、Q值、諧振器和樣品的尺寸以及諧振器的電導(dǎo)率，以及通過(guò)估計(jì)模式匹配分析誤差的影響來(lái)評(píng)估。附錄B（資料性）測(cè)試系統(tǒng)連接框圖圓盤(pán)諧振器法測(cè)試系統(tǒng)包含矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、平衡型圓盤(pán)諧振器等，測(cè)試系統(tǒng)連接框圖如圖B.1所示。圖B.1測(cè)試系統(tǒng)框圖附錄C（資料性）樣品制備與安裝被測(cè)樣品為兩塊試樣片，尺寸要求如圖C.1所示。試樣片的長(zhǎng)度、寬度和厚度偏差應(yīng)小于±0.01mm。試樣片按要求加工后，測(cè)試樣品的厚度尺寸，并作記錄，以便測(cè)試時(shí)輸入樣品尺寸數(shù)據(jù)。圖C.1樣品圖紙安裝前應(yīng)先測(cè)量好樣品厚度尺寸，并記錄數(shù)據(jù)。將被測(cè)樣品裝入夾具中，安裝過(guò)程如下：a)將固定有耦合探針的下金屬板平放在支撐平臺(tái)上；b)在下金屬板上放置一塊被測(cè)樣品，被測(cè)樣品的邊緣應(yīng)與金屬板的邊緣基本重合；c)在被測(cè)樣品的中間放置金屬圓盤(pán)。在放置金屬圓盤(pán)的過(guò)程中，避免金屬圓盤(pán)的扭曲，調(diào)整金屬圓盤(pán)，保證金屬圓盤(pán)在樣品和金屬板的中心處，被測(cè)樣品和金屬板的邊緣基本重合；d)在金屬圓盤(pán)上方放置另一塊被測(cè)樣品；e)放置另一塊固定有耦合探針的金屬板；f)檢查金屬圓盤(pán)和耦合孔的中心是否對(duì)齊。設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的掃描頻率，觀(guān)察相鄰TM0m0模式的諧振峰之間是否存在無(wú)用模式的諧振峰。若無(wú)多余的諧振峰或無(wú)用模式的諧振峰值比相鄰的TM0m0模式的諧振峰值低至少15dB，說(shuō)明金屬圓盤(pán)和耦合孔的中心基本已對(duì)齊，無(wú)需再調(diào)節(jié)；否則，重復(fù)步驟c.2b)~c.2f)。附錄D（資料性）起草單位和主要起草人本文件起草單位：電子科技大學(xué)，工業(yè)和信息化電子第五研究所，中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院，成都恩馳微波科技有限公司，常州中英科技有限公司，浙江華正新材料股份有限公司。本文件主要起草人：余承勇，何驍，李恩，張?jiān)迄i，李興興，高沖，高勇，朱輝，賀光輝，陳澤堅(jiān)，李燦平，俞丞，任英杰。參考文獻(xiàn)[1]KAWABATA,HHASUIKE,K.I.,KOBAYASHI,YandMA,Z,"Multi-FrequencyMeasurementsofComplexPermittivityofDielectricPlatesusingHigher-OrderModesofaBalanced-TypeCircularDiskResonator,"EuropeanMicrowaveConference,Manchester,2006,pp.388-391.[2]NAKATSUTSUMI,J,KOBAYASHI,YandMA,Z.W.,"Discussionsonmeasurementaccuracyofcomplexrelativep