信號速度與材料的關系
你的信號為啥慢？可能材料“體質”不行
應用于5G/6G通信、高速服務器和汽車雷達等領域的電子設備，其工作頻率已超過100 GHz。在以上這些應用場景下，因為傳輸媒介的介電特性會直接影響電磁波的傳輸速度，因此，各行各業都需要更深入地了解所使用材料的特性。以便縮短設計周期、加強工藝監控并確保質量保證。
在現代工業中，每種材料都有獨特的電氣特性，這些特性與其介電性能密切相關。精確測量材料的介電特性, 可以幫助工程師在特定應用中合理選材，從而提升產品性能。在通信，航空航天、汽車、醫療、食品等行業的最新技術應用也表明，深入了解材料的介電性能能夠帶來顯著的工程優勢。
簡單來說：
介電常數（Dk）就像材料的“電阻抗性格”——決定信號在它里面傳播的速度。
介質損耗（Df）則像“能量浪費指數”——損耗越高，信號越容易衰減。
就好比一輛賽車跑在不同路面上：
路面平整（低損耗材料）→ 跑得快又穩；
路面坑洼（高損耗材料）→ 不僅慢，還容易翻車。
這兩個指標對芯片封裝、PCB、天線、雷達、衛星通信等行業的重要性，就像油門和剎車對汽車一樣關鍵。
所以，你的信號為啥慢，是否跟材料有關系呢？今天就來說說如何為您的材料做個徹底的“體檢”。
介紹最新的Dk/Df 與導電率精確測量利器
以PCB行業為例，PCB原材料和層壓材料供應商需要測量材料的介電特性，并在其規格表中提供材料的特性參數，頻率高達毫米波范圍，以保持競爭力。
圖一 PCB產業概覽
圖二 Keysight高頻高速PCB測試解決方案
從上面的方案中可以看到Keysight 為PCB原材料供應商、PCB層壓材料供應商、PCB制造商和系統制造商提供各種解決方案，包括傳輸線仿真、阻抗測量、Delta-L 損耗測試以及 Dk/Df 參數提取，其中Dk = 介電常數，Df = 損耗因子。
為了準確獲得材料測量的精準結果，高精度的材料評估系統通常由以下元素構成：
矢量網絡分析儀（能夠提供高達1.1 THz的寬頻率范圍精確測量）
阻抗分析儀以及LCR表
材料測量軟件
以及適應各種測試場景的治具
以上這些儀器可以幫助用戶測量并分析材料的介電常數、損耗因子和其他關鍵電氣特性。
在以往的測試經驗中，測量治具通常會成為材料測試的最大瓶頸。
基于材料的多樣性和復雜性，需要多種不同的測量方法來實現測試，在測試中，要配合適宜的治具和夾具，如同軸探針、平行板、同軸/波導傳輸線、自由空間和諧振腔等，才能達成精確和高效的測試。
圖三 材料測試技術
這些先進的儀器和技術，配合易于操作的，簡化了的介電常數和磁導率的測量流程，使得復雜的材料測試變得更加直觀和高效。
圖四 Keysight材料測試夾具一覽表
測量治具的完備性成為了材料測試中最復雜的部分，豐富的測量治具可以大大提高測試的效率。
近年來，分裂圓柱諧振器和法布里珀羅諧振器已成為介電常數測量的標準方法，廣泛用于國際上，能夠提供高精度和高重復性的結果。
今天的文章，就要為您介紹新開發的用于材料測試的治具，并且使用這些治具的最新測試案例分享。
分裂圓柱諧振器測量介電常數的原理
1. 測量原理
分裂圓柱諧振器由垂直分開的金屬圓柱組成，樣品以薄膜形式插入兩部分之間。電磁波在圓柱內形成諧振，通過分析諧振頻率和Q值的變化，可以確定介電常數 (ε′) 和介質損耗角正切 (tanδ)（圖1）。通常使用TE??δ模，該模具有平行于樣品的強電場分布，可實現對薄膜的高靈敏度測量。
圖1：諧振頻率偏移示意圖。
比較有無樣品時的諧振頻率即可求得介電常數
原理上，介電常數ε′由頻率偏移Δf/f0計算，損耗角正切tanδ由Q值的變化（1/Q）得到。當使用金屬箔時，Q值降低也可以用來評估表面導電率，從而反映毫米波頻率下的趨膚效應。
圖2展示了諧振器的裝置和流程。其顯著特點是超快的測量速度：一個樣品僅需15秒即可完成測量。
圖2：分裂圓柱諧振器的裝置與測量步驟
2. 分裂圓柱諧振器的特征
介電常數的標準偏差 ≤ 0.0006，損耗因子的標準偏差 ≤ 0.000003
每個樣品的測量時間最短僅15秒，可高效評估大量材料
覆蓋10–80 GHz頻段，可通過更換諧振器實現不同頻率測量
可與溫度和濕度試驗箱結合進行環境特性評估
法布里–珀羅諧振器測量介電常數的原理
1. 測量原理
法布里–珀羅諧振器由兩塊平行放置的球面鏡組成。
圖1：法布里–珀羅諧振器的概略圖
如圖1所示，鏡面之間會因諧振而形成駐波。在沒有樣品時測量諧振頻率和Q值，當樣品插入諧振腔中心后，諧振頻率會向低頻偏移，并且Q值因樣品的損耗而下降。根據這些變化即可計算出介電常數 (ε′) 和介質損耗角正切 (tanδ)。由于一個治具即可實現寬頻段測量，特別適用于高頻下低損耗材料的評估。
圖2展示了法布里–珀羅諧振器的外觀及測量步驟。對于每個樣品，所有頻點的測量大約在3分鐘內即可完成。
圖2：法布里–珀羅諧振器的外觀和測量步驟
2. 法布里–珀羅諧振器的特征
寬頻覆蓋范圍：26–330 GHz
高重復性：對于COP (180 μm)，介電常數的標準偏差 ≤ 0.00026，介質損耗角正切 ≤ 0.000006
高速測量：每個頻點約4秒
液體測量能力：使用專用液體容器即可獲得穩定結果
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