表征PCB材料特性的不同测试电路的差异

高频电路材料的电气特性可以有许多不同的方式来表征。例如，有些方法是采用夹具对原介质材料直接进行表征，而有些则是采用电路形式来进行。材料数据手册中的Dk和Df通常是采用夹具的方式得到的结果。然而，当比较电路测试的结果时，有时发现利用夹具测试法得到的Dk结果与利用电路法得到的Dk结果不同。

造成此差异的原因各不相同，需要具体情况具体分析。一般来说，与电路测试法相比，夹具测试不会有影响Dk提取的诸多变量。而在使用电路测试时，Dk的提取将受到PCB制造工艺的各个方面的影响，如导线宽度控制、铜厚度变化、最终表面处理和铜箔表面粗糙度等。典型的夹具测试方法不会存在这些变量，但它可能会受到夹带空气、夹具对准度、耦合差异以及夹具部件加工公差等的影响。

另外，施加到被测材料的电磁场可能会随着测试方法的不同而有所差异。在评估各向异性材料时，不同的场的方向可能也会产生问题。PCB行业中所用的大部分材料都是各向异性的，这意味着材料在三个轴向上的Dk都是不同的。

如果所表征的电气特性与大批量生产的PCB有关，那么最佳的测试方法和样品应将是最接近大批量实际电路的测试方法和样品形式。如果电气特性表征是一个需考虑各种不同电路材料以用于未来不同项目的评估，那么最好对所有材料均采用同一固定测试法。如果所采用的测试方法相同，且已充分了解，那么对于被测材料来说则相对公正。然而，由于不同的电路材料的电路制造工艺有不同的工艺需求，所以利用相同电路测试法来评估不同的电路材料可能不是一个很好的比较。

电路测试方法有许多不同的方案和电路形式，其中比较常见的电路形式包括如谐振器、不同长度的传输线、贴片天线、180度混合耦合器、以及延迟线等等。

环形谐振器电路多年前就被用于PCB材料的电气特性评估和表征，且取得了好的结果。但是在过去几年里，随着毫米波（mmWave）频率应用的增多，使用环形谐振器测试电路来准确评估毫米波频段下的PCB材料电气特性已经有一些困难了。在理解这种差异时，波长是理解这一问题的简单切入点。低频时，波长较大；而毫米波频率下，波长很小，波的传播对于电路异常现象更敏感，从而产生射频干扰。对于电路制造来说，这些小的电路异常现象均是正常的，在低频时则不会造成任何射频性能差异，而在毫米波频段下则会出现差异。

许多环形谐振器都是通过间隙耦合的。间隙耦合的差异也会影响环形谐振器的中心频率，从而影响Dk的提取精度。间隙所导致的射频差异通常与蚀刻以及铜的厚度变化有关。例如在毫米波频段下，同一环形谐振器设计的不同制造时间的两个电路，如果一个电路的铜厚要比另一个更厚，那么铜厚较厚的电路中空气内的边缘场密度更大。空气的Dk极低，空气内场密度越大，自然会降低提取值的Dk。但此时这个Dk值并不是电路材料的特性，而是与电路制造工艺相关的。此外，蚀刻的导体的梯形状及其不同电路的导体梯形状的正常变化，也将由于场密度变化而影响射频性能。但是，在低频率时这种由于耦合而产生的差异并不明显。

对PCB材料电气特性评估或表征时，还需要考虑铜箔表面粗糙度的影响。这里的铜箔表面粗糙度是指制作层压板时基板和铜箔相结合处的铜箔表面。当铜箔较粗糙时，就会减慢波的传播而改变射频性能。同一类型的铜箔表面粗糙度也不是固定不变的，正常情况下不同批次之间的其粗糙度也是不同的。对于微带环形谐振器来说，由于这种正常的粗糙度变化的影响，信号层平面的铜箔粗糙度与地平面的也可能不同。相对而言，低频率下的铜箔粗糙度引起的差异不太明显；然而对于高频率下所使用的测试样品或电路来说，铜箔粗糙度及其变化则是另一个需考虑的问题。

有许多测试方法和测试电路形式均可用于评估和表征高频PCB电路材料的特性。设计人员应联系材料供应商咨询所公布的Dk值的获取方式，以及询问特定射频设计适用的评估和测试方法建议。