朱泳名 葛 鷹 王 穎 魏 婷

（國家電子電路基材工程技術(shù)研究中心，廣東 東莞 523808）

0 前言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，毫米波段的頻譜資源也開始被人們利用起來。在前期的4G或5G通信中，應(yīng)用頻率都還集中在Sub 6G以內(nèi)，此時材料的介電常數(shù)（Dk）評估也都還相對比較簡單。當(dāng)?shù)竭_(dá)毫米波段（＞30 GHz）時，原先的評估方法就出現(xiàn)了一系列的問題。文章從實際考察過程中遇到的問題出發(fā)，總結(jié)分析了毫米波段下諧振環(huán)Dk測試方法的可行性，并最終給出了解決方案建議。

1 諧振環(huán)測試原理

諧振環(huán)測試是通過讓環(huán)形線路的周長等于二分之一波長來制造諧振，然后再通過諧振頻率來反推Dk的一種方式。其中二分之一波長的線路長度指的是中心線長度，具體見圖1所示。

通過諧振頻率和實際測量中心線長度就可將Dkeff（等效Dk）計算出來，見式（1）所示。

再通過實際測量線寬和介質(zhì)厚度即可計算出常用的DkDesign（設(shè)計Dk），見式（2）所示。

在式（1）和式（2）中：

n——諧振階數(shù)

c——光速

fr——諧振頻率

D——諧振環(huán)周長

h——基材厚度

w——諧振環(huán)線路寬度

理論上說，諧振環(huán)的兩端開路是故意制造全反射點讓信號疊加，從而實現(xiàn)良好的諧振，但實際毫米波段測試時出現(xiàn)的結(jié)果卻并非如此。

2 實驗考察

2.1 毫米波段諧振環(huán)測試所遇問題

在毫米波段對諧振環(huán)進(jìn)行測試，測試情況見圖2所示。

文章測試使用的主機(jī)為Keysight N5222加毫米波擴(kuò)頻模塊以及Cascade BTS探針臺進(jìn)行。測試完成后發(fā)現(xiàn)在30 GHz往后的更高頻段出現(xiàn)某幾個頻率點不出現(xiàn)諧振峰，有些頻點的諧振峰又有很大的雜散峰干擾，實驗結(jié)果見圖3所示。

此次實驗中，90 GH在以后頻率的諧振峰完全消失，50 GHz左右頻率受到的雜散峰會影響到最終取值的判斷，這樣一來會使得Dk無法評估或者錯誤評估。

2.2 不同諧振環(huán)毫米波段對比考察

根據(jù)實際遇到的問題再結(jié)合原理進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)諧振峰消失的主要原因是毫米波段本身波長較短且損耗會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低頻段；而出現(xiàn)雜散峰的原因是本身是帶通類型的諧振環(huán)設(shè)計，在這么高的頻率下如果出現(xiàn)了部分邊緣耦合的情況則會產(chǎn)生影響諧振的雜散的峰。基于上述原因，本文做了兩組實驗，具體方案圖形見圖4所示。

（1）在原先方案上面增強(qiáng)耦合，以克服毫米波段損耗大的問題；

（2）改變原先帶通耦合方案，做邊緣耦合形式，讓雜散峰的影響與諧振峰的諧振方向在同一方向，以規(guī)避雜散峰。

實際測量對比增強(qiáng)耦合設(shè)計與原始設(shè)計，邊緣耦合設(shè)計與原始設(shè)計的結(jié)果分別見圖5和圖6所示。取全頻段的測試諧振峰計算得到Dk值見表1所示。出邊緣耦合方式的諧振環(huán)測試效果最佳。

表1 不同諧振環(huán)設(shè)計下的Dk結(jié)果表

根據(jù)實際結(jié)果可知，到了90 GHz以后的頻段原始設(shè)計已經(jīng)無法測試了；在其他頻段范圍內(nèi)，三種設(shè)計的Dk最大極差在0.03以內(nèi)，該極差包含了加工蝕刻等因素，也包含了材料本身的一致性波動，因此三種環(huán)之間的結(jié)果可以相互等效。邊緣耦合形式諧振環(huán)收到的雜散峰影響最小，諧振效果最好。

3 總結(jié)

文章從實際問題出發(fā)去設(shè)計了三種不同形式的諧振環(huán)，分析了不同形式諧振環(huán)從低頻一直到110 GHz毫米波段下的表現(xiàn)，最終發(fā)現(xiàn)三種環(huán)之間的測試結(jié)果幾乎一致，但常規(guī)諧振環(huán)在到90 GHz以后諧振峰就會消失，從而無法進(jìn)行Dk計算；邊緣耦合形式的諧振環(huán)會有最好的測試效果，能夠有效地同時解決雜散峰影響和高頻段諧振消失的問題，可供覆銅板和印制板端進(jìn)行材料測量和質(zhì)量監(jiān)控使用。

從圖5可以看出，使用增強(qiáng)耦合設(shè)計的諧振環(huán)測試結(jié)果相比于原始設(shè)計來說諧振要清晰很多，在50 GHz左右雜散峰消失，在90 GHz以后原始設(shè)計消失的諧振峰也恢復(fù)了，但在100 GHz在以后還是有雜散峰的影響。而圖6使用的邊緣耦合型諧振環(huán)測試的結(jié)果幾乎沒有受到雜散峰的影響，而且在100 GHz以上也諧振清晰。由此可以明顯地對比