温度均匀性对微波介质基板介电常数热系数测试的影响

董彦辉 于艺杰

（中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津 300220）

张永华

（无锡江南计算技术研究所印制板质量检测中心，江苏 无锡 210023 ）

0 引言

目前高频电路基板材料的工作频段已经覆盖了从低频到毫米波范围，而微波、毫米波通信在雷达、遥感、航天测控以及制导等特殊领域的应用，使得基板材料的工作环境覆盖了从零下几十摄氏度到几百摄氏度的范围[1]，介电常数热系数的测试也越来越受到微波介质基板生产企业和使用单位的关注。微波介质基板介电常数温度热系数TCDk，是对微波介质基板介电常数随应用环境温度变化而变化的一种性能评价，它可以是正值（随温度增高，Dk增大），也可以是负值。在设计对温度变化较为敏感的电路，如带通滤波器、压控振荡器及天线时，忽略介电常数随温度变化的特性会带来许多问题。介电常数在传输线的特性阻抗和波长方面起着决定性的作用，传播速度、波长和特性阻抗都随着介电常数的变化而变化，如果实际应用中材料介电常数发生较大变化，整个电路的性能将大大降低[2][3]。

国际上，测试微波介质基板介电常数热系数的方法通常是采用IPC-TM-6502.5.5.5[4]。国标中相似的测试方法为GB/T 12636-1990微波介质基片复介电常数（带状线法），国内对采用此方法进行介电常数热系数测试的文献也较多，如许增超[5]、王修齐[6]等人均对该方法的误差来源进行了详细探讨，但关于温度均匀性对测试结果的影响没有进一步研究。国内关于介电常数热系数的测试暂无国家测试标准，虽然有相关的测试规范，但对温度准确性及均匀性没有明确的要求。国外生产厂家如罗杰斯所采用的IPC测试标准对测试过程中温度均匀性的要求也没有明确的说明。在实际测试过程中，对于介电常数热系数较大的微波介质基板，测试系统温度的准确性及均匀性对测试结果的影响较小，但对于介电常数热系数较小的产品，如RT duroid 6002、CLTE-XT，温度准确性，尤其是温度均匀性对测试结果的影响会变得非常明显，这也是本文研究的主要内容。

1 带状线法测试介电常数热系数原理

1.1 相对介电常数测试原理

带状线谐振器是在尺寸相同的两片介质基片的中间位置夹持一片薄金属铜箔导带，然后在上下压上导电良好的金属板，形成两端开路的带状线，并在其传播方向上进行微波信号的耦合，形成耦合回路（如图1）。

图1 带状线谐振器示意图

测试时，激发带状线谐振器产生谐振，并通过测试TEM模各谐振峰的谐振频率f和品质因数Q，结合谐振器的长度、厚度，金属导带的宽度、厚度，以及金属接地板的电阻率等参数，计算出介质基材在不同频率下的相对介电常数 。

1.2 介电常数热系数测试原理

介电常数热系数按公式（1）计算。

式中：

T0─ 对应介电常数 时控温箱的温度，℃；

T1─ 对应介电常数 时控温箱的温度，℃；

2 试验设计

2.1 测试系统组成

为带状线谐振器变温测试系统组成，包括带状线测试夹具、温度控制系统、高频耦合探针，加压测压装置、矢量网络分析仪和控制微机等（如图2）。

图2 带状线谐振器测试系统框图

待测样品固定在夹具之间，并整体置于温控系统中，通过加压装置对带状线谐振器施压，以排除谐振器中的空气，测试时由网络分析仪通过高频耦合探针激发谐振器产生谐振，最终测试结果由计算机求出。矢量网络分析仪选用安捷伦N5230C，多点温控系统由中国电子科技集团公司第四十六研究所研制，温度控制点分别选择样品的上和下表面左、中、右共计6个点，经国家计量院对温度均匀性进行计量确认，其均匀性优于±0.5℃，对比组为一套商用单点温控系统，温度控制点在样品上表面中部。

2.2 试验内容

利用两套不同的温控系统，分别对RT duroid 6002和CLTE-XT两种样品的介电常数热系数进行测试，以比对不同温控状态下介电常数热系数的测试结果。从表1中可以看出，上述两种材料的介电常数热系数的典型值非常小，RT duroid 6002介电常数热系数为0.0012 %/℃（12 ppm/℃），CLTE-XT介电常数热系数为-0.0009 %/℃（-9 ppm/℃），均介于-0.002 %/℃～0.202 %/℃（-20 ppm/℃～20 ppm/℃）之间，如此小的介电常数热系数变化，对测试系统的介电常数测试稳定性、重复性、以及测试系统温度均匀性、准确性都提出了更高的要求（见表1）。

3 试验结果和分析

3.1 测试系统温度均匀性研究

为得到多点温控系统与单点温控系统在到达测试温度点时样品的实际温度状态，我们选择0℃和100℃时两个温度点进行研究。对测试系统进行温度控制和监控，温度随时间的变化曲线如图3～图6所示，图中6条不同颜色的曲线分别代表多点温控系统中待测样品上层左、中、右3个位置及下层左、中、右3个位置温度值的变化。

其中，图3为100℃时，控温系统升温至100℃的时间-温度图。当上层中心温度最先到达设置温度时，此时与单点温控系统的状态相似，其余测试位置温度均未达到设置温度。若将此时设为测试温度上限点，并在此时进行测试时，测试样品不同位置处的温度并不均匀，会导致介电常数测试结果误差较大（如图3）。

为最终获得的均匀性较为稳定的100℃温度图，由图中可以看出，此时所监测样品的6个位置的温度较为均匀一致，且均匀性优于±0.5℃，在此时进行测试时介电常数测试结果较为准确（如图4）。同样，在对实验所需的0℃环境条件温度进行监测（如图5），上层中心点温度最先到达设置温度，但此时温度均匀性较差，稳定后的时间-温度曲线（如图6）。

3.2 介电常数重复性研究

在公式（1）中，介电常数热系数测试测试结果由两个参数决定，一个是温度，另一个是介电常数。因此，在温度系统稳定的情况下，介电常数测试的重复性、稳定性对介电常数热系数测试结果影响将变得非常重要。测试过程中，介电常数重复性的好坏主要取决于软件设计及测试系统压力的控制（见表2），无论是单点还是多点温控系统，采用多次采集数据求取平均值的方法可以使得介电常数测试结果的变化不超过±0.0001，基本可以忽略由介电常数测试系统引起的介电常数热系数测试偏差（见表2）。

3.3 介电常数热系数测试结果比较

采用多点温控系统和单点温控系统分别在100℃和0℃环境下进行测试，其中多点温控系统在监测的6个点温度最大偏差小于0.5℃时进行测试，而单点温控系统在检测点温度到达测试温度并保持15 min后进行测试，分别选取RT duroid 6002和CLTE-XT各5组样品进行测试，测试结果（见表3～表6）。由测试结果可以看出，对于材料RT duroid 6002，单点温度控制系统测试结果与罗杰斯的典型值差距较为明显，且数据离散性较大。采用多点温控系统测试结果保持了良好的重复性，并与材料手册中的典型值基本吻合。对于材料CLTEXT，其介电常数热系数典型值为-0.0009 %/℃（-9ppm/℃），单点温控系统测试结果却在-0.0001%/℃（10 ppm/℃）左右，偏离典型值较大，而采用多点控温系统的测试结果与罗杰斯典型值更为接近。介电常数热系数由材料的组成结构（树脂成分、玻纤布增强材料比例等）决定，对于陶瓷填充的PTFE或碳氢树脂高频基材，介电常数热系数的值通常都比较小。此时为保证测试结果的准确性，良好地控制测试系统的温度均匀性，尤其是样品不同位置处的温度均匀性便显得尤为重要。

表1 测试所用罗杰斯样品型号及热系数典型值[7][8]

图3 测试系统100℃点 时间-温度图

图4 测试系统100℃点稳定后 时间-温度图

图5 测试系统0℃点 时间-温度图

图6 测试系统0℃点稳定后 时间-温度图

表2 RTduroid 6002 介电常数重复性测试

表3 RTduroid 6002多点温控系统测试值

表4 RTduroid 6002单点温控系统测试值

表5 CLTE-XT多点温控系统测试值

表6 CLTE-XT单点温控系统测试值

4 结论

本文测试所采用两种温控系统中，单点温控系统的加热方式、硬件设计及控制软件设计相对简单，其设置的单点测试温度也较容易实现，而多点温控系统，要实现整个测试样品温度均匀，无论硬件设计或控制软件设计都较为困难。从本文研究结果可以看出，无论单点或者多点温控系统，温度均匀性对于介电常数热系数的测试结果影响都非常大，如果温度不均匀，极有可能获得测试误差较大的测试结果。采用多点温度控制系统对温度进行控制，使样品整体达到测试所需温度后，其介电常数热系数测试结果更为可信。