专利名称：一种双面敷金属箔板有效介电常数的测量方法
技术领域：
本发明属于电子测量及射频电路设计领域，特别涉及一种双面敷金属箔板有效介电常数的测量方法。
背景技术：
当电路工作到百兆赫兹以上的射频段时，双面敷金属箔板的有效介电常数对印制板的线宽设置及阻抗特性等的影响都会凸显出来。有效介电常数是高频电路设计中一项很重要的参数，但是大量的双面敷金属箔板(尤其是国内生产的双面敷铜箔板)产品参数当中并没有给出这一重要参数。在涉及微波电路设计等电子信息工程应用及科研、技术开发中，双面敷金属箔板， 尤其是双面敷铜箔板，得到了普遍使用，因为它具有刻制实验电路时价格低廉且实验周期短等特点。实际上国内生产的双面敷铜箔板在质量上是并不逊色于进口电路板，为了更多地利用国产产品，减少对国外高价双面敷铜箔板的依赖，同时降低实验代价，并获得较好的性能指标和实验效果，亟需一种在低成本条件下能简洁有效地获取双面敷铜箔板有效介电常数的测量方法。目前，现有的针对双面敷金属箔板有效介电常数的测量方法均需要专门装置。如 谐振腔方法需要谐振腔装置；电容测量法需要精密电容测量计；公告为CN2066145、名称为 “双面敷铜箔板介电常数测试装置”的实用新型专利公开了一种由底座、支架、导轨、检波系统、调谐装置及导波波长读数标尺等构成的双面敷铜箔板介电常数测试的专门装置。这些测量方法虽然能够达到测量目的，但由于需要专门的测量装置，因此存在成本较高的缺陷， 尤其不适合于高校电路设计过程中的测试及实验。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种无需专门测量装置而只需借助单台或少量通用测试仪器、低成本、高效率的双面敷金属箔板有效介电常数的测量方法。为实现上述目的，本发明的技术方案如下本发明的基本原理是利用高频信号在微带线上的传输特性，将被测双面敷金属箔板加工成带有一定微带线图案的印制板，而后对该印制板进行散射参量(S参数)、或驻波比参数、或相位参数、或特征阻抗参数等电路响应数据的测量。通过电路响应数据与事先通过仿真获得的仿真数据进行比较，找到与电路响应数据相似程度最高的一组仿真数据，在仿真软件中与该组仿真数据对应的双面敷金属箔板有效介电常数就是最终获得的被测双面敷金属箔板的有效介电常数，达到测量目的。具体而言，本发明提出的一种双面敷金属箔板有效介电常数的测量方法，其步骤如下(1)首先选取一副微带线图案，在仿真软件中进行绘制；同时在仿真软件中，设置被测双面敷金属箔板的已知参数，定义信号输入口和信号输出口 ；所述被测双面敷金属箔板的已知参数包括双面敷金属箔板板厚、敷金属厚度、介质基片的厚度(可不进行设置，由软件自行计算)、介质基片的介电常数(可不进行设置，由软件依据相关算法进行计算)、敷金属的电导率、敷金属的磁导率、敷金属的损耗角正切值、敷金属表面光滑程度和封装空间大小。选取的微带线图案优先选择矩形微带线。所述仿真软件优先选择安捷伦公司的ADS 射频微波仿真软件。(2)然后在所述仿真软件中设定至少一个双面敷金属箔板的有效介电常数进行仿真，获得与设定的双面敷金属箔板有效介电常数相对应的至少一组仿真数据；所述仿真数据为散射参量、或驻波比参数、或相位参数、或特征阻抗参数。上述步骤(1)和O)即是在仿真软件中绘制微带线图案的基础上，在仿真软件中通过设置输入一系列被测板的已知参数、定义信号端口、输入假定的有效介电常数进行仿真，从而获得所需的仿真数据。每输入一个假定的有效介电常数，就获得一组对应的仿真数据。(3)将被测双面敷金属箔板按照步骤(1)中选取的微带线图案加工成为印制板。(4)对步骤(3)中加工获得的印制板进行测量，获取电路响应数据；所述电路响应数据为散射参量、或驻波比参数、或相位参数、或特征阻抗参数。对印制板进行测量优先选择使用的是矢量网络分析仪。经实验证明，使用散射参量(S参数)、驻波比参数、相位参数、特征阻抗参数中的任一个都可以实现被测板有效介电常数的测量。使用散射参量(S参数)中的“S11”或 “S22”参数最易于测得被测板的有效介电常数，因此上述散射参量优先选择Sll或S22。(5)使用拟合算法，将步骤⑷中获取的电路响应数据与步骤(2)中获得的仿真数据进行拟合运算，找出与步骤中获取的电路响应数据相似程度最高的一组仿真数据； 所述被找出的一组仿真数据所对应的双面敷金属箔板有效介电常数(即步骤( 中设定的与该组仿真数据对应的那个双面敷金属箔板有效介电常数)即为被测双面敷金属箔板的有效介电常数。上述数据拟合算法采用一类拟合算法，这类拟合算法的手段是多样的，但共同的目的是比较两条数据曲线的相似程度。数据拟合算法通过对仿真数据构成的曲线与刻有一定微带线的双面敷金属箔板实测电路响应数据曲线进行比较，找出与被测板实测电路响应数据相似程度最高的一条仿真数据曲线，从而确定双面敷金属箔板的有效介电常数。所述拟合算法优先选择极值点比较法。本发明在进行步骤C3)之前，可以通过重复步骤(1)和0)，并将选取的微带线图案、输入的一系列被测板已知参数、输入的有效介电常数及获得的对应仿真数据存入数据库中，建立起双面敷金属箔板相关参数数据库。建立起双面敷金属箔板相关参数数据库后， 再通过对加工出来的带有一定微带线图案的印制板施加激励并测取响应，获得实测数据； 应用数据拟合算法将这一实测数据与双面敷金属箔板相关参数数据库中的数据进行拟合， 从而获得被测双面敷金属箔板的有效介电常数。双面敷金属箔板相关参数数据库是双面敷金属箔板有效介电常数与刻有一定微带线图案的双面敷金属箔板实测数据之间建立关系的桥梁，建立起了刻有一定微带线图案的双面敷金属箔板实测数据与双面敷金属箔板有效介电常数之间的对应关系。建立一庞大的双面敷金属箔板相关参数数据库有助于本发明测量方法的推广使用。
具体而言，建立双面敷金属箔板相关参数数据库步骤如下a)将被测板的已知参数(包括双面敷金属箔板板厚、敷金属厚度、介质基片的厚度、介质基片的介电常数、敷金属的电导率、敷金属的磁导率、敷金属的损耗角正切值、敷金属表面光滑程度和封装空间大小)填入数据表。选取一幅微带线图案，并在仿真软件中绘制与该图案相同的微带线图案，在仿真软件中设置填入数据表的各已知参数，并定义信号输入和输出口。b)在仿真软件中设定双面敷金属箔板的有效介电常数，进行仿真。仿真结束获得一组针对于该有效介电常数的仿真数据，包括散射参量(S参数)、或驻波比参数、或相位参数、或特征阻抗参数等数据。设定不同的有效介电常数进行多次仿真，获得多组对应于所设置的有效介电常数的仿真数据。将设定的多个有效介电常数及获得的多组仿真数据分别输入数据表，每组仿真数据划为一个数据组，每个有效介电常数值与应用其进行仿真所获得的仿真数据相对应。c)将步骤a)、b)中输入数据表的数据划为一个数据单元，将该数据单元中的数据与步骤a)中选取的被测板的微带线图案相对应。d)选取不同的微带线图案，重复步骤a) -c)，获得多个数据单元，这些数据单元与进行仿真时所选取的微带线图案一一对应。e)将以上步骤中的数据整合，存储在一个数据库中，获得双面敷金属箔板相关参数数据库。在上述使用仿真方法构建双面敷金属箔板相关参数数据库的步骤a)中使用被测板的已知参数，可以大大减少仿真工作量。当然，也可以不使用被测板的已知参数，而是针对不同的参数都要进行仿真，来构建数据库，但这样做的工作量会大幅增加。建立好的双面敷金属箔板相关参数数据库由一系列数据单元构成，每个数据单元中又含有多个数据组， 数据组中存储着与有效介电常数及所使用的微带线图案相对应的仿真数据。建立起双面敷金属箔板相关参数数据库后，再通过对加工出来的带有一定微带线图案的印制板施加激励并测取响应，获得实测电路响应数据；使用拟合算法，将实测电路响应数据与双面敷金属箔板相关参数数据库中所存储的、对应于印制板上所刻制微带线图案的多组仿真数据逐一进行拟合运算。拟合运算的目的是从双面敷金属箔板相关参数数据库中所存储的众多组仿真数据当中找出一组与实测电路响应数据相似程度最高的数据。该被找出的一组仿真数据所对应的存储于双面敷金属箔板相关参数数据库中的有效介电常数即为所求。与现有技术相比，本发明的有益效果是能够利用射频/微波电路设计、调试过程中所使用的基础、通用的仪器、设备(矢量网络分析仪)及软件进行相关量测量，无需购买专门仪器，摆脱旧有的测量方法，使用数据拟合方法就能测得双面敷金属箔板的有效介电常数，实践成本低、效率高、方便快捷，尤其适用于双面敷铜箔板有效介电常数的测量，可直接面向微波电路设计实验。
图1是双面敷金属箔板有效介电常数测量方法的流程示意图。图2是实施例1中在ADS软件中进行仿真的原理图。
图3是实施例1中对有效介电常数进行扫描的S参数仿真获得的Sll参数数据曲线。图4是实施例1中使用安捷伦公司Ε836!3Β型矢量网络分析仪测得的Sll参数曲线(屏幕截图)。图4中S21曲线是Ε836!3Β型矢量网络分析仪系统自动给出的测量参数， 在实施例1中可不用此参数。图5是实施例1中使用安捷伦公司Ε836!3Β型矢量网络分析仪测得的Sll参数(数据扫描图)。图6是实施例1中仿真获得的有效介电常数等于6时的Sll参数。图7是实施例2中使用安捷伦公司Ε836!3Β型矢量网络分析仪测得的驻波比参数 (数据扫描图)。图8是实施例2中仿真获得的有效介电常数等于6. 4时的驻波比参数。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。实施例1如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示。采用本发明的测量方法对一批双面敷铜箔板进行有效介电常数的测量，具体步骤如下(1)使用安捷伦公司的ADS射频微波仿真软件建立仿真原理图。在仿真原理图中放置宽度为0.8mm、长度为50mm的矩形微带线。定义微带线左端为端口 1，微带线右端为端口 2，通过50欧姆(Ohm)的term控件接地。在微带线的控件MSUB中设置被测双面敷铜箔板的已知参数，包括被测双面敷铜箔板厚度1. 2mm、敷铜厚度0. 02mm、敷铜的电导率 5. 88E+7、敷铜的磁导率1、敷铜的损耗角正切值le-4、敷铜表面光滑程度Omm和封装空间大小 1. 0e+33mmo(2)放入S参数扫描控件，设置扫描范围为DC至5GHz，扫描步进为1MHz。对有效介电常数ee进行扫描仿真，扫描范围为1至10，扫描步进为1。完成的原理图如图2所示。 执行仿真，获取仿真数据。在仿真数据显示中显示10组Sll的数据曲线，如图3所示。(3)取一小块被测双面敷铜箔板样材，按照宽度为0. 8mm、长度为50mm的矩形微带线图案将样材加工成印制板，两端焊接50欧姆匹配同轴线接头。(4)使用安捷伦公司Ε836!3Β型矢量网络分析仪对步骤( 中加工获得的印制板进行测量，获取散射参量，即图4所示的实测Sll参数曲线。(5)采用极值点比较法，将步骤⑷中获得的散射参量(Sll)与步骤⑵中获得的 10组散射参量(Sll)依次进行拟合运算。如图5所示，实测曲线的Sll参数在极值点处的横坐标(频率)值分别为1. 493GHz, 2. 976GHz，4. 409GHz。这三个极值点与步骤(2)中获得的有效介电常数ee等于6时的Sll参数(如图6所示)极值点最为接近。由此确定，被测双面敷铜箔板的有效介电常数为6。达到测量目的。实施例2如图1、图7、图8所示。与实施例1相同的地方不再重复叙述，不同之处在于(1)在仿真原理图中放置宽度为1. 2mm、长度为50mm的矩形微带线。(2)对有效介电常数ee进行扫描仿真，扫描范围为1至10，扫描步进为0. 1。执行仿真，获取仿真数据。在仿真数据显示中显示驻波比参数。(3)取一小块被测双面敷铜箔板样材，按照宽度为1. 2mm、长度为50mm的矩形微带线图案将样材加工成印制板，两端焊接50欧姆匹配同轴线接头。(4)使用安捷伦公司Ε836!3Β型矢量网络分析仪对步骤( 中加工获得的印制板进行测量，获取驻波比参数。(5)采用极值点比较法，将步骤⑷中获得的驻波比参数与步骤(2)中获得的100 组驻波比参数依次进行拟合运算。如图7所示，实测曲线的驻波比参数在极值点处的横坐标(频率)值分别为1. 423GHz, 2. 845GHz，4. 244GHz。这三个极值点与步骤(2)中获得的有效介电常数ee等于6. 4时的驻波比参数(如图8所示)极值点最为接近。由此确定，被测双面敷铜箔板的有效介电常数为6. 4。达到测量目的。
权利要求
1.一种双面敷金属箔板有效介电常数的测量方法，其特征在于所述双面敷金属箔板有效介电常数的测量方法步骤如下(1)选取一副微带线图案，在仿真软件中进行绘制；同时在仿真软件中，设置被测双面敷金属箔板的已知参数，定义信号输入口和信号输出口 ；所述被测双面敷金属箔板的已知参数包括双面敷金属箔板板厚、敷金属厚度、敷金属的电导率、敷金属的磁导率、敷金属的损耗角正切值、敷金属表面光滑程度和封装空间大小；(2)在所述仿真软件中设定至少一个双面敷金属箔板的有效介电常数进行仿真，获得与设定的双面敷金属箔板有效介电常数相对应的至少一组仿真数据；所述仿真数据为散射参量、或驻波比参数、或相位参数、或特征阻抗参数；(3)将被测双面敷金属箔板按照步骤(1)中选取的微带线图案加工成为印制板；(4)对步骤C3)中加工获得的印制板进行测量，获取电路响应数据；所述电路响应数据为散射参量、或驻波比参数、或相位参数、或特征阻抗参数；(5)使用拟合算法，将步骤(4)中获取的电路响应数据与步骤( 中获得的仿真数据进行拟合运算，找出与步骤(4)中获取的电路响应数据相似程度最高的一组仿真数据；所述被找出的一组仿真数据所对应的双面敷金属箔板有效介电常数即为被测双面敷金属箔板的有效介电常数。
2.根据权利要求1所述的双面敷金属箔板有效介电常数的测量方法，其特征在于步骤(1)中选取的微带线图案为矩形微带线。
3.根据权利要求1所述的双面敷金属箔板有效介电常数的测量方法，其特征在于所述散射参量为Sll或S22。
4.根据权利要求1所述的双面敷金属箔板有效介电常数的测量方法，其特征在于所述仿真软件为安捷伦公司的ADS射频微波仿真软件。
5.根据权利要求1所述的双面敷金属箔板有效介电常数的测量方法，其特征在于步骤中对印制板进行测量使用的是矢量网络分析仪。
6.根据权利要求1所述的双面敷金属箔板有效介电常数的测量方法，其特征在于所述拟合算法为极值点比较法。
7.根据权利要求1所述的双面敷金属箔板有效介电常数的测量方法，其特征在于所述双面敷金属箔板为双面敷铜箔板。
全文摘要
本发明公开了一种双面敷金属箔板有效介电常数的测量方法。所述测量方法将被测板加工成带有一定微带线图案的印制板，而后对该印制板进行散射参量、或驻波比参数、或相位参数、或特征阻抗参数等电路响应数据的测量；通过电路响应数据与事先通过仿真获得的仿真数据进行比较，找到与电路响应数据相似程度最高的一组仿真数据，在仿真软件中与该组仿真数据对应的双面敷金属箔板有效介电常数就是最终获得的被测板有效介电常数。与现有技术相比，本发明能够利用射频/微波电路设计、调试过程中使用的基础设备及软件进行相关量测量，无需购买专门仪器，使用数据拟合方法就能获得双面敷金属箔板的有效介电常数，实践成本低、效率高、方便快捷。
文档编号G01R27/26GK102426299SQ20111033971
公开日2012年4月25日 申请日期2011年11月1日 优先权日2011年11月1日
发明者侯照临, 姜书艳, 谢永乐 申请人:电子科技大学