信号速度与材料的关系

你的信号为啥慢？可能材料“体质”不行

应用于5G/6G通信、高速服务器和汽车雷达等领域的电子设备，其工作频率已超过100 GHz。在以上这些应用场景下，因为传输媒介的介电特性会直接影响电磁波的传输速度，因此，各行各业都需要更深入地了解所使用材料的特性。以便缩短设计周期、加强工艺监控并确保质量保证。

在现代工业中，每种材料都有独特的电气特性，这些特性与其介电性能密切相关。精确测量材料的介电特性, 可以帮助工程师在特定应用中合理选材，从而提升产品性能。在通信，航空航天、汽车、医疗、食品等行业的最新技术应用也表明，深入了解材料的介电性能能够带来显著的工程优势。

简单来说：

介电常数（Dk）就像材料的“电阻抗性格”——决定信号在它里面传播的速度。

介质损耗（Df）则像“能量浪费指数”——损耗越高，信号越容易衰减。

就好比一辆赛车跑在不同路面上：

路面平整（低损耗材料）→ 跑得快又稳；

路面坑洼（高损耗材料）→ 不仅慢，还容易翻车。

这两个指标对芯片封装、PCB、天线、雷达、卫星通信等行业的重要性，就像油门和刹车对汽车一样关键。

所以，你的信号为啥慢，是否跟材料有关系呢？今天就来说说如何为您的材料做个彻底的“体检”。

介绍最新的Dk/Df 与导电率精确测量利器

以PCB行业为例，PCB原材料和层压材料供应商需要测量材料的介电特性，并在其规格表中提供材料的特性参数，频率高达毫米波范围，以保持竞争力。

图一 PCB产业概览

图二 Keysight高频高速PCB测试解决方案 

从上面的方案中可以看到Keysight 为PCB原材料供应商、PCB层压材料供应商、PCB制造商和系统制造商提供各种解决方案，包括传输线仿真、阻抗测量、Delta-L 损耗测试以及 Dk/Df 参数提取，其中Dk = 介电常数，Df = 损耗因子。

为了准确获得材料测量的精准结果，高精度的材料评估系统通常由以下元素构成：

矢量网络分析仪（能够提供高达1.1 THz的宽频率范围精确测量）

阻抗分析仪以及LCR表

材料测量软件

以及适应各种测试场景的治具

以上这些仪器可以帮助用户测量并分析材料的介电常数、损耗因子和其他关键电气特性。

在以往的测试经验中，测量治具通常会成为材料测试的最大瓶颈。

基于材料的多样性和复杂性，需要多种不同的测量方法来实现测试，在测试中，要配合适宜的治具和夹具，如同轴探针、平行板、同轴/波导传输线、自由空间和谐振腔等，才能达成精确和高效的测试。

图三 材料测试技术

这些先进的仪器和技术，配合易于操作的，简化了的介电常数和磁导率的测量流程，使得复杂的材料测试变得更加直观和高效。

图四  Keysight材料测试夹具一览表

测量治具的完备性成为了材料测试中最复杂的部分，丰富的测量治具可以大大提高测试的效率。

近年来，分裂圆柱谐振器和法布里珀罗谐振器已成为介电常数测量的标准方法，广泛用于国际上，能够提供高精度和高重复性的结果。

今天的文章，就要为您介绍四种新开发的用于材料测试的治具，并且使用这些治具的最新测试案例分享。

使用分裂圆柱谐振器测量介电常数

使用法布里珀罗谐振器测量介电常数

分裂圆柱谐振器测量介电常数的原理

1. 测量原理

分裂圆柱谐振器由垂直分开的金属圆柱组成，样品以薄膜形式插入两部分之间。电磁波在圆柱内形成谐振，通过分析谐振频率和Q值的变化，可以确定介电常数 (ε′) 和介质损耗角正切 (tanδ)（图1）。通常使用TE₀₁δ模，该模具有平行于样品的强电场分布，可实现对薄膜的高灵敏度测量。

图1：谐振频率偏移示意图。

比较有无样品时的谐振频率即可求得介电常数

原理上，介电常数ε′由频率偏移Δf/f0计算，损耗角正切tanδ由Q值的变化（1/Q）得到。当使用金属箔时，Q值降低也可以用来评估表面导电率，从而反映毫米波频率下的趋肤效应。

图2展示了谐振器的装置和流程。其显著特点是超快的测量速度：一个样品仅需15秒即可完成测量。

图2：分裂圆柱谐振器的装置与测量步骤

2. 分裂圆柱谐振器的特征

介电常数的标准偏差 ≤ 0.0006，损耗因子的标准偏差 ≤ 0.000003

每个样品的测量时间最短仅15秒，可高效评估大量材料

覆盖10–80 GHz频段，可通过更换谐振器实现不同频率测量

可与温度和湿度试验箱结合进行环境特性评估

法布里–珀罗谐振器测量介电常数的原理

1. 测量原理

法布里–珀罗谐振器由两块平行放置的球面镜组成。

图1：法布里–珀罗谐振器的概略图

如图1所示，镜面之间会因谐振而形成驻波。在没有样品时测量谐振频率和Q值，当样品插入谐振腔中心后，谐振频率会向低频偏移，并且Q值因样品的损耗而下降。根据这些变化即可计算出介电常数 (ε′) 和介质损耗角正切 (tanδ)。由于一个治具即可实现宽频段测量，特别适用于高频下低损耗材料的评估。

图2展示了法布里–珀罗谐振器的外观及测量步骤。对于每个样品，所有频点的测量大约在3分钟内即可完成。

图2：法布里–珀罗谐振器的外观和测量步骤

2. 法布里–珀罗谐振器的特征

宽频覆盖范围：26–330 GHz

高重复性：对于COP (180 μm)，介电常数的标准偏差 ≤ 0.00026，介质损耗角正切 ≤ 0.000006

高速测量：每个频点约4秒

液体测量能力：使用专用液体容器即可获得稳定结果