介电常数测量的微带短路线法及实现技术

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电路设计和分析中,阻抗控制以及信号的完整性一直是大家关注的问题,而介电常数是其中至关重要的一个材料参数。在某些场合的应用中,传统的+/-10%的阻抗控制精度已经无法保证产品性能的一致性,相继有+/-7%,乃至+/-5%的精度要求出现。我们知道,除了厂家加工中的固有精度误差外,板材的储存和使用环境的变化也会对介电常数值产生影响,这样单纯按照原材料厂家提供的参数已经逐渐不能满足设计中对于阻抗控制精度的需要,所以我们必须要在实际设计和制作前对使用的板材进行介电常数的测定,以确保阻抗控制的精度。目前关于介电常数量测已经有了很多研究,也提出了很多不同的测量方法。这里暂且不讨论用波导的方法进行介电常数的测量,我们的主要讨论以PCB量测的方式来获得介电常数。在利用PCB微带线进行板材介电常数的测定中,比较常用的有1/2波长终端耦合串联共振法和1/4波长开路短枝共振法。其中,1/2波长终端耦合串联共振法是利用制作传输线,使用终端耦合串联的结构,借助间隙在高频时产生的信号耦合进而引发共振来求得共振频率,然后通过经验公式得到有效介电常数;而1/4波长开路短枝共振法是利用1/4波长变换的原理,即一端阻抗无穷大时另外一端可视为短路。在用微带线进行双端口信号传输中,当短枝满足1/4波长时,信号的插入损耗会变得异常大。经由网络分析仪的测量可以得到3dB频率点,考虑到已知实际的1/4波长开路线的长度,我们通过经验公式的计算即可获得有效介电常数。以上两种方法要么是利用开路耦合进行共振,要么是利用1/4波长变换形成开路点,可见短路法在实际量测中很少应用,这是由于在PCB上用微带线实现宽频域较为理想的短路是非常困难的。考虑到波导系统中实现理想短路的方法,如果我们在PCB上可以用类似的方法来实现较为理想的短路,那么我们就能够采用短路法来求得板材的相对介电常数。本文就是从以上的假想出发,利用在印刷电路板上制作较为理想的微带短路线,通过矢量网络分析仪量测单端口的输入阻抗峰值(或S参数反射系数的相位零点)所对应的频点,进而求得微带线在高频信号传输中所对应的相位速率,最终通过公式计算获得介质的相对介电常数。本文的讨论是从ADS中的理想模型分析开始,然后在HFSS中使用设定好的参数进行三维建模和仿真分析。再将仿真得到的结果与实际制板量测获得的计算结果进行对比,最终验证了在PCB上实现理想短路以及利用微带短路法求得介电常数的可行性。考虑到印制板实现及信号波长方面的因素,本测量方法的适用范围从100MHz至5GHz。
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