一种测量PCB基板电特性的多模基片集成波导谐振器及其测量方法与流程

本发明属于材料介电特性测试的
技术领域：
，特别涉及基于毫米波多模谐振腔的材料电特性测量方法。
背景技术：
：PCB基板广泛应用于无线通信系统，尤其在毫米波频段，对基板电性能精确测量显得越来越重要。目前，测量方法主要分为传输法/反射法和谐振法两种，其中谐振法特别适用于低损耗介质的精确测量。基于基片集成波导谐振腔测量方法较于传统微带环和金属波导腔谐振方法，具有低损耗、低剖面等特性。例如，文献SimoneA.Winkler,WeiHong,MaurizioBozzi,andKeWu,“Polarizationrotatingfrequencyselectivesurfacebasedonsubstrateintegratedwaveguidetechnology,”IEEETransactionsonAntennasandPropagation,vol.58,no.4,Apr.2010.提出了一种基片集成波导谐振腔利用GSG馈电单端口反射型测量方法，其包含一层介质层和两层金属覆铜层。该测量方法工作在腔体TE120模式，测试频率为60-110GHz，相邻测试频点的频率间隔变化率(频率间隔最大值/频率间隔最小值)为4.1，需要13个谐振腔完成13个频率点测量，测试效率低，腔体容差小。专利CN104865449[P]，程钰间，刘小亮，吴杰，薛飞.基于波导多谐基片集成振腔法的介质基片测量装置及方法:中国.2015-8-26.提出了一种基片集成波导谐振腔利用波导馈电单端口反射型测量方法。该测量装置由N个谐振腔从左到右呈“一”字排列构成，其谐振频率依次递减。工作在腔体TE101模式，测试频率为88-106GHz，频率间隔变化率为1.5，测试频带不够宽，同样存在测试效率低等问题。文献X.C.Zhu,W.Hong,P.P.Zhang,Z.C.Hao,H.J.Tang,K.Gong,J.X.Chen,K.Wu,“Extractionofdielectricandroughconductorlossofprintedcircuitboardusingdifferentialmethodatmicrowavefrequencies,”IEEETrans.Microw.TheoryTechn.,vol.63,no.2,pp.494–503,Feb.2015.提出了一种基于不同厚度基片集成波导谐振腔，利用差分方法提取PCB基板的电特性参数。该测量方法属于微带线馈电双端口传输型方法，工作在腔体TE10k(k<＝9)模式,测试频率为10-20GHz，频率间隔变化率为3.3，不足的是只有TE10k(k为奇数)被激励，频率间隔较大且不可控。从现有报道可以发现，虽然基片集成波导谐振腔测量方法与传统微带环和金属波导腔谐振测量方法相比在性能上具有优势，但存在测试频带窄，频率间距不可控，测试效率低等问题，要实现基片集成波导谐振腔宽带测量，同时频率间隔可控，测试效率高，难度较大。技术实现要素：本发明的目的是保证基片集成波导谐振腔宽带测量前提下，解决现有报道结构测试效率低的问题。为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种测量PCB基板电特性的多模基片集成波导谐振器，该谐振器包括：输入馈电波导、基片集成波导谐振腔、输出馈电波导，输入馈电波导设置于基片集成波导谐振腔上表面的一端，输出馈电波导设置于基片集成波导谐振腔下表面的另一端；所述连接输入、输出馈电波导的基片集成波导谐振腔的腔壁上设置有耦合缝隙；所述基片集成波导谐振腔包括上金属壁、下金属壁、环绕金属壁并连接上下金属壁的若干金属化通孔。一种测量PCB基板电特性的多模基片集成波导谐振器的谐振腔体尺寸计算方法：其中c0为真空中光速，εr为基板介电常数，leff和weff分别为谐振腔的有效长度和宽度，fmin和fmax分别为工作频段内最小和最大频率。一种测量PCB基板电特性的多模基片集成波导谐振器的测量方法，该方法为：输入馈电波导的信号经耦合缝隙使基片集成波导谐振器中工作模式连续被激励，通过改变输入信号的频率从而改变基片集成波导谐振器的工作模式，在各个工作模式下测量填充于基片集成波导谐振腔中基板的电特性。本发明的有益效果：本发明充分利用基片集成波导谐振腔结构特性，通过合理的馈电结构设计，使腔体模式TE10k连续被激励，能实现较小且近似等频率间距测量基板电性能参数。相较传统设计，本发明具有以下三个突出优点:1、仅采用单个谐振腔实现宽带(例如整个W波段)测量方法，测试效率高。2、相邻测试频点间距可控，可实现同一工作频段下，高密度等间距频率点测量。3、基于更高阶腔体谐振模式，Q值更高，测试精度更高。附图说明图1是本发明的基于多模基片集成波导谐振腔测量装置三维结构示意图。图2是本发明的基于多模基片集成波导谐振腔测量装置结构剖视图。图3是本发明的基于多模基片集成波导谐振腔测量装置仿真S参数结果图。具体实施方式实施方式：如图1、图2和图3所示，一种基于多模基片集成波导谐振腔宽带测量PCB基板方法，其特征在于，从上往下依次层叠标准W波段金属馈电波导1、谐振腔2、第一金属覆铜层21、介质层22、第二金属覆铜层23、标准W波段金属馈电波导3；第一金属覆铜层21边缘上刻蚀矩形缝隙211，构成馈电耦合缝隙；介质层22边缘四周贯穿金属化孔221，与第一金属覆铜层21、第二金属覆铜层23一起构成基片集成波导波导谐振腔；第二金属覆铜层23边缘上刻蚀矩形缝隙231。工作原理：本发明采用单个基片集成波导谐振腔，在工作模式TEmnk选择上，分别对三个维度上模式指数选择做了详细分析。通常情况下，腔体厚度远小于腔体长度和宽度，腔体谐振频率随基片厚度维度对应的模式指数n变化很大，甚至超过工作频率范围，因此n＝0。在腔体宽度维度对应的模式指数的选择上，通过对比不同m(模式指数)大小得到相邻谐振模式频率间距，得出当m>1时，在整个工作频段范围内，频率间距变化较大，不可控，因此m＝1。基于确定的m和n的值，通过对频率间距公式(3)的推导，当k很大时，频率间距近似趋于常数值，如公式(4)。基于上述等频率间距设计原理，下面分别对基板介质损耗角和介电常数测量步骤做详细阐述。1、介质损耗测量利用矢量网络分析仪测试基片集成波导谐振腔的传输系数，根据公式(5)、(6)和(7)，可得到谐振腔的无载Q值。Quk＝QLk(1+β1k+β2k)(6)其中QLk和Quk代表TE10k模对应的谐振腔有载Q值和无载Q值。β1k和β1k为输入和输出端口耦合系数。腔体损耗包括导体损耗、介质损耗和辐射损耗。由于构成基片集成波导腔的金属通孔直径与通孔间距比大于0.5，辐射损耗可忽略不计。导体损耗Qc通过采用CST仿真得到，其中仿真条件设置中，介质损耗设为零。从而通过前面得到的Qu和公式(8)可得到介质损耗角正切tanδ。2、介电常数测量结合测量得到的损耗角正切，利用仿真谐振频率与测量谐振频率对比得出介电常数。针对该方案完成了一种基片集成波导谐振腔测试系统的具体设计，工作频率为75-110GHz，相邻模式频率间距为3.9GHz。选用的介质层22为TLY-5，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009(在10GHz测试下得到)。第一金属覆铜层21、第二金属覆铜层23的厚度均为0.018mm。基片集成波导谐振腔长度和宽度为24mm、3mm,边壁孔221的直径为0.4mm，孔中心距为0.6mm。覆铜层上刻蚀的矩形缝隙211(231)的长度和宽度分别为0.7mm、0.4mm。对该样品进行了测试，测试结果如下表所示：表1介质基板的损耗角正切和介电常数测量结果测试频率(GHz)tanδεr77.010.001472.20480.610.001072.20584.280.001382.20588.080.001192.20591.950.001432.20895.900.001602.21099.950.001492.211104.040.001592.212108.150.001792.214当前第1页1 2 3