专利名称：确定多层电路板各绝缘层介电常数和损耗系数的方法
技术领域：
本发明涉及一种采用制作在电路板上或在电路中的若干试验结构在MHz至GHz测量频率范围确定电路板各绝缘层介电常数和/或损耗系数的方法以及在电路板上至少有一个试验结构用于在MHz至GHz测量频率范围确定电路板各绝缘层介电常数和/或损耗系数的方法。
对于在电路板上的印刷电路的电学性质，除了各绝缘层的机械厚度和在高频电路中的导带机械宽度之外、特别是绝缘材料的介电常数和损耗系数具有很大的意义。其中，与所用材料和制造过程相关、在多层电路板中通常对每一个绝缘层均产生一对介电常数/损耗系数的数值。
大家知道，介电常数例如可以在电容器装置上借助于电容测量加以确定，其中，电路板的绝缘材料用作介质。为了能够在电路板本身进行测量，众所周知。可以在电路板上制作上若干窄带滤波器，然后通过滤波器通带特性的传输测量确定绝缘材料的介电常数和损耗系数。
本发明的任务在于，找到一种方法以及一种试验结构，其中，借助于标准测量设备和无焊点的接触在电路板中间产品或成品上可以确定介电常数和损耗系数。这种方法应能在大规模生产中、在尽可能短的时间内并且在已经制作上印刷电路的批量产品上实施。
本项任务由上述类型的方法出发是这样实现的，即作为试验结构至少在电路上或电路板中制作一个试验谐振器，此谐振器以具有给定几何尺寸和至少一个测量点位置的微波平面带状线形式构成，对于每一个试验谐振器在其谐振频率的频带内确定其谐振频率，然后在此谐振频率上确定测量点的阻抗，并且最后由每一个试验谐振器给定的几何尺寸和以确定的谐振频率的数值以及阻抗的实部通过传输方程计算出介电常数和/或损耗系数。
本项任务也可用上述类型的电路板加以解决，其中，根据本发明至少有一个试验谐振器是一个制作在电板上或在电路板中的、以平面微波带状线形状实现的具有给定几何尺寸和至少一个测量点给定位置的试验谐振器。
本发明也可以在电路板成品上借助于标准测量设备、特别是网络分析仪在MHz至GHz频率范围内迅速而简单的确定介电常数和损耗系数，并且通过在移动通信用的电路板上在例如900Mhz的频率上所作的测量得到证实。
本发明的其它特征在从属权利要求2至8以及10至17中作了阐述。
本发明的其它优点下面将借助于若干实施例进一步加以阐述，这些实施例绘制在附图中。
图1示出按照本发明具有平面微波带状线的一段电路板截面的俯视图，图2示出图1沿II-II线的剖面图，图3示出了图1沿III-III线的剖面图，图4示出了具有两种介质的带状线横截面的示意图，图5示出了带状线的电力线图以及层间电容的表示方法，图6示出本发明的用试验谐振器的等效电路以及图7示出根据本发明具有三个介质层和三个试验谐振器的一个电路板的示意图。
按照图1至图3电路板1由一个绝缘层2，例如由一个玻璃纤维-环氧树脂支撑材料构成，在其中嵌入了由金属带构成的导体3。位于导体3对面的电路板1的表面接地4。这样一种平面微波导线称为带状线，其几何尺寸示于图4。
在表面上，即在图3的上表面上形成了一个同轴测量点5，此测量点由上接地层4的圆形挖空部分6和一个接触探针7构成，此探针由导体3穿过介质延伸至接地层4。在一端，即在图3的左端制作了一段通过式接触8，此接触由上部接地层4延伸至下接地层4，并且也包括了导体3。在另一端，即在图3的右端没有这样通过式接触，与此相反，可以如图1的一个部位所示制作上侧面的通过式接触9以一个笼子的形式在两侧屏障导体3。这一点在接地层4宽度延伸不能选择很大的场合是十分必要的。
这样，图1至图3所示的带状线一端短路、一端开路，其中，短路终端和测量点之间的长度以lk表示，测量点和开路终端之间的长度以lo表示。通常导线构成λ/4谐振器，然而在本发明中并不限制于，此例如也可以构成3λ/4谐振器或λ/2谐振器。
下面首先参照图4，5和6在理论方面对本发明测量方法加以阐述，并且推荐下述参考文献Reinmut K.Hoffmann，微波集成电路Springer出版社，1983Wheeler.H.A.Formulas for the Shin Effect.
Proc.IRE.vol.39.1942年9月.412-424页Meinke-Gundlach，高频技术手册Springer出版社，1992与阻抗Z2连接的长度为l导线的输入阻抗Zl为Z1=Z1Z2·cosh(γl)+Z1sinh(γl)Z1cosh(γl)+Z2sinh(γl)-------(1)]]>其中，Zl为导线波阻抗，r为传输常数。为简单起见，这里仅考虑“宽”印刷带状线结构，即W/(Du-T)≥0.35和W/(Do-T)≥0.35的情况，其中，W为导线机械宽度，Du，Do为衬底厚度并且T为导线厚度(见图4)。
一个这样宽的带状线的波阻抗Zl为Z1≅ϵ0μ0ϵr,eff1C′pu0+C′po0+2C′fu0+2C′fo0,--------(2)]]>其层间电容为C′pu0=ϵ0WDuundC′po0=ϵ0WD0,]]>C′fu0≅ϵ0π[(2+TDu)ln(2+T2Du)-T2Duln(TDu+(T2Du)2)],-----(3)]]>C′fo0≅ϵ0π[(2+TDo)ln(2+T2Do)-T2Doln(TDo+(T2Do)2)],-----(4)]]>图5示出模型中各层间电容的含义。
有效介电常数εr，eff取代了在结构中的不同绝缘材料的介电常数εru，εroϵr,eff=ϵru(C′pu0+2C′fu0)+ϵro(C′po0+2C′fo0)C′pu0+C′po0+2C′fu0+2C′fo0--------(5)]]>有效介电常数的数据只有在现有结构中的电磁场结构与均匀系数结构中的电磁场近似相同时才是有意义的。这种情况只有在介电常数εru，εro彼此差别很小时才会出现，如同在通常的多层电路板的情况那样。
复数传输常数r可以写为r＝α+jβ衰减常数α由电阻性损耗部分αr和介质损耗部分αδ组成α＝αr+αδ在用近似均匀的绝缘材料填充的导线中其介质损耗可以写为αδ≅πϵr,effftanδeffc0,---(8)]]>其中f为频率，Co为在真空中的光速。宽印刷带状线的有效损耗系数tanδeff考虑到电场能量的分配由参予介质的损耗系数tanδn，tanδo得出tanδeff=tanδuϵru(C′pu0+2C′fu0)ϵru(C′pu0+2C′fu0)+ϵro(C′po0+2C′fo0)+tanδ0ϵro(C′po0+2C′fo0)ϵru(C′pu0+2C′fu0)+ϵro(C′po0+2C′fo0)----(9)]]>如果在导体材料中电流的趋肤深度显著的比导体厚度小，则电阻性的长度损耗近似为αρ=πfρϵ0ϵr,effZ1δZ1δn-------(10)]]>其中，δZ1δn=∂Z1∂Du+∂Z1∂Do-∂Z1∂W-∂Z1∂T]]>n为导体材料的比电导率。相位常数β为β=2πfϵr,effϵ0μ0.-----(11)]]>将式(2)至(11)代入式1可以得到任意导线终端Z2时出现的阻抗Z1。在导线终端短路和开路这两种特殊情况应特别加以考虑。在长度为lk的短路导线上按照式(1)计算的输入阻抗为ZK＝Zltanh(rlk)(12)有效长度为lo的开路导线的阻抗为Z0＝Zltanh-1(rlo)(13)其中需要考虑的是开路导线的有效长度lo不同于开路导线的机械长度。其原因在于在开路端的附近电容Cende，此电容近似可以看作是开路导线的相应延长lende。假定是一个宽的导线，则Cende
W(εruC′fu0+εroC′fo0)(14)因此lende≅Cendeϵru(C′pu0+2C′fu0)+ϵro(C′po0+2C′fo0)-----(15)]]>在本发明优选的实施形式中，每一个试验谐振器由一段一端短路一端开路的λ/4导线构成，其系数电路示于图6。
在试验谐振器模型的测量点出现阻抗Zk和Zo的并联Zmodell＝Zl[tanh-1(γlk)+tanh(γlo)]-1(16)在λ/4谐振的附近测量点的阻抗达到最大值。此阻抗的绝对值是由导线的波阻抗，损耗和测量点的位置决定的。在给定损耗情况下在谐振时的测量阻抗受到短路导线与开路导线之长度比的影响，因为沿导线的损耗电阻是变换的。
为了测量阻抗而提供了一台网络分析仪，其中应该考虑到在阻抗测量时其最大的测量精度在参考阻抗(通常是Z0＝50Ω)附近达到的。如果测量阻抗在此参考阻抗附近，则由接触电阻和寄生参量(散射电容和散射电感)引起的测量误差最小。特别是可以采用通常的同轴检测控针从而可以以可以承受的测量误差进行自动测量。因此，确定试验谐振器几何尺寸的目标是在典型的待测值εi，eff，tanδeff时将测量阻抗在λ/4谐振时选在参考阻抗Z0＝50Ω附近。
εi，eff，tanδeff值的测量分两步进行。
·计算频率fR，在此频率下出现最大的反射衰减。
·在频率fR在测量点测量阻抗的实部Re(ZR)。
在相应的调节中一个网络分析仪可以自动寻找频率fR并且同时确定电阻Re(ZR)。
通过方程(16)可以知道测量阻抗Zmodell与εi，eff，tanδeff；f的关系。通过重复的方法可以寻找到一对数值εi，eff，tanδeff，这样，在f＝fn时计算的反射系数达到最小值并且同时对于计算的测量阻抗Re(Zmodll)＝Re(ZR)成立。此数值方法可以简化，即参数εi，eff，Re(ZR)以及tanδeff，fR当测量阻抗ZR在参考阻抗Zo附近时只有很少的关系。
为了能够单独的确定数量N个不同绝缘层的材料特性，有必要至少测量N个不同的试验谐振器。其中，应该这样选择试验谐振器，使所有待测绝缘层均得到参予。图7示出一组3个谐振器以测量具有3个绝缘层2a，2b，2c、3个导体3a，b，c和相应接地层4a，b，c的四层电路板(N＝3)。
重叠的绝缘层的有效材料常数可以由各个材料常数和层厚相当于电容器的串连电路那样获得。在适当的试验结构时可以产生一个方程组，借助于此方程组可以由有效材料常数εi，eff，tanδeff分别确定材料常数εr(1…N)，tanδ(1…N)。此方程组通常不是线性的，但是可以例如通过特殊情况控制的优化方法用数字法加以解决，如果知道相当准确的材料常数的初始值，如果有必要提供多个谐振器，则作为求解的策略提供方程组误差平方的最小值。
如果本发明方法以及所属的电路板适合于不仅确定介电常数而且也确定损耗系数，则在很多情况仅确定εr，eff也就足够了。由于参数εr，eff与Re(ZR)只有很小的联系，因此在这种情况下确定谐振频率fR也就足够了，并且对此测量一台普通的静态反射系数测量仪也就够用了。从根据上讲Re(ZR)与εr，eff之间的很小的联系是基于一个试验装置由损耗系数和介电常数引起的阻抗变化相经之间是正交的(可以从Smith圆图上看出)。材料特性εr的计算对于此简化情况与详细计算相仿，只是测量值Re(ZR)是用估计值Zo替代的。
本发明在移动通信的电路板上曾予以实施，其中，若干试验谐振器曾排列在电路板的边缘。
一个试验谐振器的实施类型如图1至3所示，它特别的有效，因为人们通过选择测量点的位置可以很容易的使在谐振时的阻抗IR与所使用仪器设备的参考阻抗Zo匹配。显然，机械几何尺寸是由所期望的频率和实际的介电常数决定的并且测量点的位置决定了在测量点的输入阻抗。
在图7所示的一些结构中，就是说在存在多个不同的绝缘层的情况下，各个谐振器的测量点可以通过适当的通过式接触置于电路板的一个或另一个表面、以及部分的置于一个表面而部分的置于另一个表面。比较实际的作法是将所有的测量点置于电路板的一侧。本发明所谓的“测量点”是广义的，因为例如必要时可以将此测量点在空间上与谐振器本身隔离而与测量仪器的连接是通过一根导线进行的。在这种情况下，在式(1)给定的简化模型的阻抗应通过导线的介入而加以修正。例如在测量点也可以出现附加的电容和电感，只要在模型中考虑进去就行了。
为了和用网络分析仪和采用同轴探针的可能性，只需要将在测量点的阻抗或在测量仪器上的测量阻抗置于测量仪器参考阻抗Zo的附近。如上所述，对此测量可以使用一台网络分析仪，由它对最大反射衰减时的频率FR和在此频率下所出现的阻抗实部ReZR例如采用单端网络测量自动加以确定。因为待测阻抗优先置于网络分析仪参考阻抗的附近，所以可以完全和用其测量精度。这样选择测量阻抗也可以使在试验控针和测量之间的接触电阻不会对所期望数值的计算引入很大的误差。对于本发明的实用性特别在一个带状线上作了验证，然而根据实际的结构也可以用于其它平面微波传输线上，例如屏蔽或未屏蔽的微带传输线，带接地缝隙的微带传输线；条带传输线，等等。
权利要求
1.采用制作在电路板上或在电路板中的试验结构在MHz至GHz测量频率范围确定电路板各绝缘层介电常数和/或损耗系数的方法，其特征在于，至少有一个试验谐振器作为试验结构作在电路板上或电路板中，此谐振器以平面微波传输线形成，具有给定的几何尺寸和至少一个测量点的给定的位置，对于每一个试验谐振器在其谐振频率(fR)所在的频带内确定其谐振频率并且在此谐振频率上确定测量点的阻抗(ER)，最后由每一个试验谐振器给定的几何尺寸和谐振频率的特定值以及阻抗的实部通过传输方程计算出介电常数和/或损耗系数。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，此传输线谐振器是一个λ/4谐振器。
3.根据权利要求1或2其中之一所述方法，其特征在于，此传输线谐振器具有一个开路端和一个短路端，在两端之间有一个测量点，此测量点距短路端的距离为(lk)并且距开路端的距离为(lo)。
4.根据权利要求1至3其中之一所述方法，其特征在于，谐振频率(fR)为试验谐振器反射衰减达到其最大值并且反射系数达到其最小值的频率。
5.根据权利要求1至4其中之一所述方法，其特征在于，确定阻抗(ER)的实部Re(ZR)。
6.根据权利要求1至5其中之一所述方法，其特征在于，此试验谐振器以导线距接地板具有给定距离(Do，Du)的带状线结构构成的。
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，对于具有N个绝缘层的电路板至少应采用N个试验谐振器。
8.根据权利要求1至7其中之一所述方法，其特征在于，每个试验谐振器的机械几何尺寸是这样选择的，即其在谐振时在测量点出现的阻抗(ER)在所用测量设备、例如一个网络分析仪的参考阻抗(Z0)的范围。
9.为了在MHz至GHz测量频率范围内确定电路板若干绝缘层的介电常数和/或损耗系数至少具有一个试验结构的电路板(1)，其特征在于，以平面微波传输线形式制作在电路板(1)上或在电路板中的试验谐振器(R；R1；R2；R3)具有特定的几何尺寸和至少一个测量点的特定的位置。
10.根据权利要求9所述电路板(1)，其特征在于，微波传输线具有一个短路终端和一个开路终端。
11.根据权利要求10所述电路板(1)，其特征在于，在距短路端和开路端给定的距离(lk，lo)上有一个测量点(5)。
12.根据权利要求9至11其中之一所述电路板(1)，其特征在于，试验谐振器(R)是一段λ/4传输线。
13.根据权利要求9至12其中之一所述电路板(1)，其特征在于，此试验谐振器(R)是以内导体(3)与接地层(4)之间具有给定距离(Do，Du)的带状线形式构成的。
14.根据权利要求9至13其中之一所述方法，其特征在于，试验谐振器(R)的机械几何尺寸是这样选择的，即其在谐振时在测量点(5)出现的阻抗(ZR)在测量设备，例如网络分析仪的参考阻抗(Zo)范围，特别是约50Ω。
15.根据权利要求9至14其中之一所述具有N个绝缘层的电路板(1)，其特征在于，它至少具有N个试验谐振器(R1，R2，R3)，其中，对每个试验谐振器至少有一个绝缘层(2a，2b，2c)作为介质相对应。
16.根据权利要求9至15其中之一所述电路板(1)，其特征在于，每一个试验谐振器(R)制作在电路板的有效边缘上。
17.根据权利要求9至16其中之一所述电路板(1)，其特征在于，若干测量点(5)作为同轴测量点是用同轴测量探针形成的。
全文摘要
采用制作在电路板上或在电路板中的若干试验结构在MHz至GHz测量频率范围内确定电路板各绝缘层介电常数和/或损耗系数的方法,其中,作为试验结构在电路板(1)上或在电路中至少制作一个试验谐振器(R),对每一个试验谐振器(e)在其谐振频率(f
文档编号G01R23/07GK1178327SQ9711829
公开日1998年4月8日 申请日期1997年9月17日 优先权日1997年9月17日
发明者J·内格尔 申请人:西门子公司