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Ricerca di un metodo di prova per la costante dielettrica di materiali adatti alle onde millimetriche
La frequenza dell'onda millimetrica (onda mm) era una volta una sezione dello spettro riservata alla ricerca e sviluppo (RD). Tuttavia, le onde millimetriche sono state ora ampiamente utilizzate. Con l'espansione dei sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) e dei suoi sistemi di sicurezza radar a onde millimetriche e della tecnologia di comunicazione cellulare di quinta generazione (5G) a frequenze più elevate, le frequenze delle onde millimetriche saranno utilizzate da miliardi di persone in tutto il mondo. Ciò significa che anche la domanda di materiali PCB che supportano frequenze 28 GHz o superiori continuerà a crescere. Per caratterizzare tali materiali del circuito ad alta frequenza, ad esempio, la frequenza è di circa 80 GHz ed è necessario misurare la costante dielettrica (Dk) o la costante dielettrica relativa del materiale alle frequenze d'onda millimetriche. Tuttavia, in una gamma di frequenze così alta, non esiste ancora uno standard industriale definito.
La costante dielettrica è la preoccupazione primaria per la maggior parte dei materiali del circuito perché influisce sulla dimensione del circuito alla frequenza di funzionamento. Poiché la lunghezza d'onda diminuisce man mano che la frequenza aumenta, specialmente alle frequenze d'onda millimetriche, la dimensione del circuito diventa molto piccola, quindi è importante conoscere accuratamente il Dk del materiale del circuito. In sostanza, la Dk o la permittività relativa di un materiale può essere definita come il rapporto tra la quantità di carica immagazzinata quando il materiale si trova tra due piastre metalliche e la quantità di carica immagazzinata quando le piastre metalliche sono sotto vuoto o aria. Il Dk del vuoto è "1", e il Dk di qualsiasi altro materiale è superiore a quello del vuoto.
Conoscenza di base lingue Dk
I metodi di misura utilizzati dalla maggior parte dei fornitori di materiali per circuiti stampati sono metodi standard riconosciuti del settore e sono misurati ad una frequenza di prova specifica, come 10GHz o inferiore. Alle frequenze d'onda millimetriche, ci sono anche alcuni metodi per misurare il Dk dei materiali del circuito stampato, ma questi metodi non sono così noti come i metodi di prova utilizzati alle basse frequenze.
Quali sono le difficoltà nel misurare con precisione Dk alle frequenze d'onda millimetriche? Per misurare il valore Dk di un materiale, prova sulla materia prima in prova (MUT), o processa la materia prima in qualche forma di circuito di riferimento e prova sul circuito. Che si tratti di radiofrequenza, microonde o frequenza d'onda millimetrica, le caratteristiche Dk dei materiali del circuito stampato sono solitamente anisotropiche. Pertanto, quando si utilizza il metodo di prova per determinare il valore Dk del materiale, è necessario determinare anche il Dk dell'asse Z (direzione dello spessore) o del piano X-Y (lunghezza e larghezza del materiale). Per diverse direzioni materiali, questi valori sono solitamente diversi e sono solitamente una funzione della frequenza. Pertanto, per i progettisti di circuiti ad onde millimetriche, non si può presumere che il valore Dk a 10 GHz sull'asse Z sia uguale al valore Dk a 60 GHz sul piano XY sotto lo stesso materiale. Misurare accuratamente Dk dei materiali del circuito alle frequenze d'onda millimetriche è molto importante per molte applicazioni di onde millimetriche imminenti e per i loro ingegneri di progettazione di circuiti.
Criteri di selezione dei candidati
Esistono molti metodi per determinare il valore Dk dei materiali alle frequenze d'onda millimetriche. Tuttavia, nessuno dei metodi è stato accettato come tecnica di prova standard del settore da organizzazioni di standard tecnici come IEEE o IPC. Tuttavia, alcuni metodi di prova Dk forniscono una precisione e ripetibilità di misura molto buone, rendendoli candidati per gli standard di misurazione Dk dell'onda millimetrica.
Il metodo di lunghezza di fase differenziale microstrip è una delle tecniche di misura Dk dell'onda millimetrica che può essere utilizzato come potenziale standard. Questo è un metodo di prova basato su circuiti. In questo metodo, una pluralità di circuiti di linea di trasmissione microstrip da 50 ohm di diverse lunghezze sono fabbricati sul materiale testato. In questo modo, misurando la differenza di angolo di fase dei due circuiti, si può ottenere la caratteristica Dk del materiale testato. Poiché il Dk del materiale testato può cambiare, quando si determina il dk del materiale, i due circuiti di microscatto dovrebbero essere il più vicino possibile per ridurre al minimo l'influenza del cambiamento Dk del materiale. È possibile utilizzare un analizzatore di rete vettoriale ad alta precisione (VNA) con una copertura di frequenza fino a 110 GHz per testare il parametro S e la misura di fase di due circuiti microtrip di lunghezze diverse sul MUT.
Un altro metodo per determinare il valore Dk dei materiali del circuito stampato alle frequenze d'onda millimetriche è il metodo del risonatore ad anello, dove il risonatore ad anello è un circuito di prova realizzato sul MUT. Le dimensioni e i parametri di progettazione di questi circuiti risonanti possono riflettere accuratamente la frequenza risonante in dettaglio. Quando un risonatore ad anello viene elaborato accuratamente sul MUT, informazioni come la costante dielettrica del materiale possono essere dedotte con precisione misurando la frequenza di risonanza. Utilizzando VNA per misurare la risposta dei risonatori ad anello accoppiati a gap alle frequenze d'onda millimetriche e confrontando queste risposte con i risultati numerici forniti dal software commerciale di calcolo dei campi elettromagnetici (EM), può essere basato sulla dimensione del circuito e sulle condizioni inserite nel software Estrai il valore Dk del MUT.
Naturalmente, nelle applicazioni pratiche, specialmente per le dimensioni del circuito d'onda millimetrica, le dimensioni del circuito e le tolleranze possono causare la variazione della frequenza di risonanza misurata, causando così errori nel valore Dk del materiale misurato. I cambiamenti nella larghezza del conduttore e nello spessore del circuito stampato (MUT) influenzeranno anche la frequenza del risonatore dell'anello. Inoltre, lo spessore della lamina di rame sul circuito del risonatore dell'anello può variare attraverso il circuito stampato. Il cambiamento dello spessore del rame del circuito influenzerà l'accoppiamento e la frequenza di risonanza del risonatore dell'anello accoppiato a gap. Pertanto, quando si applica il metodo di prova del risonatore dell'anello per determinare il Dk del materiale del circuito stampato alle frequenze d'onda millimetriche, è necessario ridurre al minimo il cambiamento di spessore del rame del circuito. Cruciale.
I metodi sopra menzionati sono due metodi classici di molte tecnologie di prova del valore Dk dei materiali dei circuiti stampati maturi e possono essere utilizzati come metodi standard del settore per la misurazione e i materiali dei circuiti stampati Dk alle frequenze d'onda millimetriche. Entrambi sono metodi di prova basati sul circuito e possono essere utilizzati anche altri metodi di prova basati sulle materie prime.
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