全面介紹各種材料特性測試方法

編者注:本來只在朋友圈和大家分享了幾張圖片,但是看到很多朋友都非常感興趣,所以就把文檔內容發到公眾號上和大家一起學習下。這幾年不管是什麼類型的材料發展都特別快,不管是電子類的材料,如PCB、天線、連接器,還是生物、食品材料等等都一樣非常火熱。本文主要針對常規的一些方法做了一些介紹。歡迎有興趣的朋友和我們做進一步的交流。


一.材料測試介紹

我們生活的世界都是由物質組成的,每一種物質都有其獨特的特性。而在電子設計以及測量領域,研究者或者工程師們更多地是關注每一種材料其獨特的電磁特性,也即物質與外加電場或磁場相互作用的介電特性或者介磁特性。很多時候,材料電磁特性的好壞,直接影響到成品或最終產品的性能高低,正所謂“巧婦難為無米之炊”。精確地測量材料性能,可以為研究者和工程師提供更有價值的信息,以便將材料正確地應用在預期的場景中,來實現更符合預期的設計,或者檢測製造工藝從而控制產品的質量等。材料的電磁特性測量可以對許多電子應用提供關鍵的設計參數信息。例如,電纜的損耗,基板的阻抗等。人們還發現,在航空航天,汽車電子,食品安全以及醫療行業的最新應用也得益於對材料電磁特性的準確瞭解。

所謂材料的電磁特性測量,主要包括介電材料和磁性材料的測試,常用的參數包括介電常數如,損耗角正切tanδ ,磁導率如’ , ” 等。當然,大部分的測試都需要滿足一定的規範要求,目前流行的規範要求主要有IPC (主要針對電路板行業)的標準和ASTM(美國材料與試驗協會)的標準等。

1. 介電常數和磁導率的定義

如果一種材料在施加外部電場時能夠儲存能量,則該材料被歸類為“電介質”。而介電常數就是用來描述電介質與外加電場之間相互作用的物理參數。我們通常說的介電常數指的是相對介電常數,或者是絕對介電常數相對於自由空間介電常數之比,如圖1所示。介電常數是一個複數,實部是衡量材料中儲存外部電場能量的表徵;虛部則是衡量材料對外部電場的耗散程度。而當用矢量圖來描繪復介電常數的時候,如圖2所示。介電常數與實軸夾角的正切值就是我們經常提到的介質的損耗角正切或者耗散因子。我們通常說的Dk值就是復介電常數的實部Df則是指損耗角正切。

2. 損耗角正切定義

   而磁性材料一般利用磁導率來衡量其與外加磁場相互作用的能力。同介電常數一樣,我們一般說的磁導率也是複數,指的是相對磁導率的大小。實部表徵材料和外加磁場之間作用時儲能的大小,虛部表徵耗能大小,如圖1所示。同樣磁性材料的損耗角正切的定義也是復磁導率虛部與實部之比。

材料的電磁特性測量對於各種工業的應用是非常重要的。是德科技可以提供用於材料介電特性,磁導率測量的全套解決方案,包括測試儀表、夾具及測量分析軟件。其中測試儀表根據頻率以及被測材料特性的不同,可以選擇阻抗分析儀或者網絡分析儀;同樣對於材料測試夾具,是德科技也提供多種不同的解決方案,包括同軸探頭、同軸/波導傳輸線,平行板法,諧振腔法等;而是德科技N1500A材料測試軟件則可以提供多種材料測試方法的軟件操作控制測量界面,極大地方便了以及豐富了客戶的不同需求。


二.材料測試方法概述

是德科技能夠提供多種材料測試整體方案,那麼究竟要選擇哪種測試方案呢?則需要根據不同的需求來綜合考量。

在選擇測試方法時,需要考慮如下問題:

  • 頻率範圍

  • 測試參數

  • 測試精度

  • 材料特性(例如,是否均勻)

  • 材料的形態(例如,液體,粉末,固體,片狀平面材料等)

  • 樣品尺寸的限制

  • 測試方法是否對材料產生破壞

  • 測試方法是否接觸材料

  • 測試溫度

  • 成本

那麼下面,就詳細列舉是德科技不同的材料測試方案。


三.是德科技材料測試方案

1. 平行板法

  • 頻率範圍:20Hz~1GHz

  • 測試參數:介電常數

  • 參考精度:’: tanδ

  • 樣品要求:片狀樣品,厚度均勻已知;搭配夾具16452A可以測試液體。

當測試頻率小於1GHz的時候,平行板法不失為一種簡單,方便,性價比高的測試方案。平行板法,在ASTM標準D150中又被叫做三端法,需要將片狀被測材料夾在兩個電極中或者將液體材料注入到平行板容器中從而形成一個電容器,使用阻抗分析儀測得電容的大小進而計算出材料的介電常數以及損耗等參數,如圖3所示。

3. 平行板法測介電常數原理

平行板法完整的方案需要利用阻抗分析儀來測量阻抗值,利用材料測試軟件完成介電常數以及損耗等參數的計算和讀取,以及根據被測材料的不同特性來選擇測試夾具。是德科技能夠提供不同頻率覆蓋,不同被測材料特性的完整平行板法方案,詳述如下。

當測試頻率為20Hz~30MHz時,可以選用是德科技E4990A阻抗分析儀,以及平行板法測試夾具16451A,搭配N1500A材料測試軟件,就可以測試材料的介電常數等參數,如圖4所示。

4. 阻抗儀E4990A16451B利用平行板法測介電材料

同樣搭配液體測試夾具16452A,則可以方便地測試液體的介電特性,如圖5所示。

5. 阻抗儀E4990A16452A利用平行板法測液體介電特性

當測試頻率介於1MHz~1GHz時,則可以選擇是德科技E4991B阻抗分析儀,以及平行板法材料測試夾具16453A,同樣搭配N1500A材料測試軟件,可以測試片狀材料的介電常數等,如圖6所示。

6. 阻抗儀E4991B16453A利用平行板法測片狀材料


是德科技提供完整的平行板法測試方案,下面給出一些具體的參考配置。

E4990A+16451B/16452A參考配置

項目

型號

描述

數量

平行板法夾具

(根據需求選配)

16451B

平行板法夾具

1

16452A

液體測試夾具

1

 

測試軟件

 

N1500A

材料測試軟件套件

1

N1500A-006

平行板法測試選件(最高120MHz

1

N1500A-UL8

USB Key

1

阻抗分析儀

E4990A

自動平衡電橋阻抗分析儀

1

E4990A-030

30MHz頻率選件(或者更高頻率選件)

1


E4991B+16453A 參考配置

項目

型號

描述

數量

平行板法夾具

16453A

平行板法夾具

1

 

測試軟件

 

N1500A

材料測試軟件套件

1

N1500A-005

平行板法測試選件(最高1GHz

1

N1500A-UL8

USB Key

1

阻抗分析儀

E4991B

射頻IV法阻抗分析儀

1

E4991B-100

1GHz頻率選件(或者更高頻率選件)

1

  • 平行板法測試材料方案總結:

平行板法的優勢有適合平板材料,薄膜材料;整體方案價格經濟;精度較高;操作簡單等。但是該方法測試頻率最高只到1GHz,且不支持磁性材料的測試。


  1. 2.  電感法

  2. l 頻率範圍:1kHz~1GHz

  3. l 測試參數:磁導率

  4. l     參考精度:: tanδ

  5. l 樣品要求:磁環材料

磁性材料磁導率的測試可以利用電感法得出:在環形磁芯周圍纏繞一些導線,並測量得到導線兩端的電感量,從而得出相對磁導率。是德科技16454A正是利用這一原理,當將磁性材料(被測磁環)放入其中,16454A就形成了一個單匝電感,利用阻抗分析儀來測出其電感量以及電阻值等阻抗參數,最終可以計算出磁導率以及損耗角正切等參數值,如圖7所示。

7. 16454A 電感法測磁導率原理

   是德科技電感法測試磁導率完整方案,包括阻抗分析儀,磁導率測試夾具16454A以及材料測試軟件N1500A。下面就列出不同頻率下不同的電感法測磁導率方案。

當測試頻率為1kHz~120MHz時,磁導率測試夾具16454A可以搭配是德科技E4990A阻抗分析儀,以及42942A 測試座和N1500A來完成磁導率的測試,如圖8所示。

8. E4990A搭配 16454A 進行磁導率測試

當測試頻率為1MHz~1GHz時,則磁導率測試夾具16454A可搭配是德科技更高頻率阻抗分析儀E4991B以及N1500A來進行磁導率的測試,如圖9所示。

9. E4991B搭配16454A進行磁導率測試


是德科技電感法測試磁導率兩種典型參考配置如下。

基於E4990A的低頻參考配置方案(1KHz-120MHz

E4990A+42942A+16454A 參考配置

項目

型號

描述

數量

電感法夾具

16454A

平行板法夾具

1

 

測試軟件

 

N1500A

材料測試軟件套件

1

N1500A-005

平行板法測試選件(最高120MHz

1

N1500A-UL8

USB Key

1

阻抗分析儀

E4990A

自動平衡電橋法阻抗分析儀

1

E4990A-120

120MHz頻率選件(必須選120選件)

1

測試附件

42942A

4TP7mm接口夾具

1

42942A-700

7mm校準件

1

基於E4991B的參考配置方案(1MHz-1GHz


E4991B+16454A 參考配置

項目

型號

描述

數量

電感法夾具

16454A

平行板法夾具

1

 

測試軟件

 

N1500A

材料測試軟件套件

1

N1500A-006

平行板法測試選件(最高1GHz

1

N1500A-UL8

USB Key

1

阻抗分析儀

E4991B

射頻IV法阻抗分析儀

1

E4991B-100

1GHz頻率選件(或者更高頻率選件)

1

  • 電感法測試材料方案總結:

電感法的優勢有整體方案價格經濟;精度較高;操作簡單等。但該方法測試頻率不夠高,且僅支持磁性材料的測試。

3,同軸探頭法

  • 頻率範圍:200MHz~50GHz(搭配網絡分析儀);10MHz-3GHz(搭配阻抗儀)

  • 測試參數:介電常數

  • 參考精度:’: tanδ

  • 樣品要求:表面平整的固體,液體或者粉末材料;要求厚度>;不適合 太大以及tanδ太小的材料。

同軸探頭法可以測試表面光滑且厚度較高的片狀固體材料,液體材料,粉末材料等。該測試方法利用開路式的同軸探頭,測試時將探頭浸入到液體或者接觸光滑固體平面,高頻信號將入射在探頭與被測材料的接觸面,在這一界面上,高頻信號的反射特性S11 將會因為材料的介電常數而發生變化,如圖10所示。這時可以通過網絡分析儀測得S11,再計算出被測材料的介電常數與損耗角正切等參數。



10. 同軸探頭法測試原理

是德科技同軸探頭主要有如圖11所示的三種。分別是纖細探頭,適合液體和粉末測試;高性能探頭,適合厚度較高的固體以及液體測試;以及高溫探頭,能夠在–40°C+200°C的範圍內測試被測材料的介電特性。其中的高溫探頭如果配合阻抗分析儀E4991B,低頻可以拓展到10MHz

11. 是德科技同軸探頭分類

200MHz~50GHz頻率範圍內,同軸探頭法測試系統包括同軸探頭,矢量網絡分析儀以及材料測試軟件,如圖12所示。

12. 同軸探頭法配合網絡儀測試液體材料介電特性

而在10MHz~3GHz的頻率範圍內,是德科技同軸探頭還可以搭配阻抗分析儀E4991B以及測試軟件來完成低頻的材料測試功能覆蓋。是德科技可以提供完整的同軸探頭法方案,參考配置如下。

搭配網絡分析儀同軸探頭法參考配置

項目

型號

描述

數量

 

 

 

同軸探頭以及配件

(根據測試需求選配)

N1501A

同軸探頭套件

1

N1501A-101

高溫探頭

1

N1501A-102

纖細探頭

1

N1501A-104

高性能探頭

1

N1501A-001

胡桃木儲物盒

1

N1501A-002

探頭支架

1

N1501A-003

探頭支架固定裝置

1

N1501A-004

ECAL支架

1

N1501A-005

高性能探頭以及纖細探頭固定裝置

1

 

測試軟件

 

N1500A

材料測試軟件套件

1

N1500A-004

探頭法測試選件

1

N1500A-UL8

USB Key

1

網絡分析儀(這裡只列出了PNA的情況,其他平臺網分亦可)

N5225B

50GHz PNA 高性能網絡分析儀

1

N5225B-200

2端口基礎配置

1

測試附件

ECAL

為了更好地去除線纜的影響(可選的)

1

線纜轉接頭

根據不同的網分接口相應配置

若干


搭配阻抗分析儀同軸探頭法參考配置

項目

型號

描述

數量

 

 

 

同軸探頭以及配件

(根據測試需求選配)

N1501A

同軸探頭套件

1

N1501A-101

高溫探頭

1

N1501A-001

胡桃木儲物盒

1

N1501A-002

探頭支架

1

N1501A-003

探頭支架固定裝置

1

N1501A-004

ECAL支架

1

 

測試軟件

 

N1500A

材料測試軟件套件

1

N1500A-004

探頭法測試選件

1

N1500A-UL8

USB Key

1

 

阻抗分析儀

E4991B

射頻IV法阻抗分析儀

1

E4991B-300

3GHz頻率選件

1

E4991B-010

探頭連接套件

1

測試附件

轉接頭和線纜

根據具體情況配置

若干


  • 同軸探頭法測試方案總結:

同軸探頭法的優勢有覆蓋頻率範圍寬;適合固體,液體,半固體材料的測試;易於使用,只需壓在固體材料表面或浸沒在液體中即可;對被測材料無破壞等。但該方法不適合‘ 太大以及tanδ太小的材料;並且對被測材料厚度有一定的要求,要求厚度>(單位mm);固體材料要求表面要足夠平整光滑;測試精度有限且不能測試磁性材料。

4.   傳輸線法

  • 頻率範圍:100MHz~110GHz

  • 測試參數:介電常數,磁導率

  • 參考精度:’: tanδ

  • 樣品要求:可以進行機械加工尺寸形狀的樣品 (環狀或者矩形塊狀);表面光滑,並且兩個端面與傳輸線的軸線垂直;樣品長度和測試頻率相關。


傳輸線法是將被測材料置於封閉傳輸線中,傳輸線可以是同軸傳輸線或者矩形波導。通過利用網絡分析儀測試高頻信號激勵下傳輸線的反射特性S11和傳輸特性S21,從而得到材料的介電常數以及磁導率等結果,如圖13所示。

13. 傳輸線法測試介電常數和磁導率原理

同軸傳輸線可以覆蓋18GHz以下的比較寬的頻率範圍,但是環狀樣品製作相對困難;波導傳輸線可以將測試頻率延伸至毫米波波段,且矩形樣品比較容易加工,但是由於波導傳輸線本身的頻率覆蓋都是分段的,所以利用波導傳輸線測試材料的頻率覆蓋也都是分段的。同軸傳輸線,波導傳輸線以及樣品加工形狀的實物圖如圖14所示。

14. 傳輸線實物圖

傳輸線法測試材料總體需要傳輸線夾具,矢量網絡分析儀以及材料測試軟件。是德科技能夠提供完整的傳輸線法測試方案,參考配置如下。

傳輸線法參考配置

項目

型號

描述

數量

 

同軸傳輸線及附件

 

85051BR03

7mm同軸傳輸線

1

85132F

3.5mm-7mm測試電纜套件(2根)

1

85050D

7mm機械校準件

1

 

 

 

波導傳輸線及附件

(根據需求選擇)

X11644A

WR 90 波導校準件(內含波導傳輸線)

1

P11644A

WR 62 波導校準件(內含波導傳輸線)

1

K11644A

WR 42 波導校準件(內含波導傳輸線)

1

R11644A

WR 28 波導校準件(內含波導傳輸線)

1

Q11644A

WR 22 波導校準件(內含波導傳輸線)

1

U11644A

WR 19 波導校準件(內含波導傳輸線)

1

V11644A

WR 15 波導校準件(內含波導傳輸線)

1

W11644A

WR 10 波導校準件(內含波導傳輸線)

1

線纜與轉接頭

需要根據不同頻率網分和波導傳輸線配置線纜以及同軸轉波導轉接頭

若干

 

測試軟件

 

N1500A

材料測試軟件套件

1

N1500A-001

傳輸線和自由空間法測試選件

1

N1500A-UL8

USB Key

1

網絡分析儀(這裡只列出了PNA的情況,其他平臺網分亦可)

N5225B

50GHz PNA 高性能網絡分析儀

1

N5225B-200

2端口基礎配置

1

  • 傳輸線法測材料總結:

傳輸線法的優勢有覆蓋頻率範圍寬;夾具相對簡單且可以有多種傳輸線可選;可以測試介電材料和磁性材料。但該方法需要材料能夠被機械加工成需要的尺寸,且材料尺寸的加工精度直接影響測試結果;並且不適合低損耗材料,液體材料以及薄膜材料等的測試;波導傳輸線的測試結果只能覆蓋一段頻率範圍等。


5.   自由空間法

  • 頻率範圍:5GHz~330GHz

  • 測試參數:介電常數,磁導率

  • 參考精度:’: tanδ

  • 樣品要求:扁平狀樣品,通常低頻時需要大尺寸平面,平坦,均勻,厚度已知


自由空間法利用天線將微波能量聚集或者穿過被測材料,這種測試方法將被測材料置於天線之間,通過測量傳輸S21或者反射S11的高頻信號得到材料的介電常數和磁導率,如圖15所示。

15. 自由空間法測試示意圖

自由空間法測量需要精確測量高頻信號通過樣品的反射以及傳輸特性,但是樣品邊緣的反射以及天線之間的多次剩餘反射都會影響測量的精度,所以校準網絡分析儀在自由空間法測試材料中是一項有挑戰性的工作。一般可以採用TRL(直通,反射以及傳輸線)的校準方式。是德科技N1500A提供的 GRL(時間門,反射以及傳輸線)校準方式,將測試端口校準到自由空間平板校準件的端面處,然後再得到被測件的準確 S 參數,從而得到材料的電磁特性。

自由空間法是一種非接觸測量方法,因此也非常適合需要在高溫環境下進行的材料測量。通常可以將待測材料放置在一個帶有“窗口”的隔熱材料箱中,被測材料在箱中可以被加熱,而隔熱材料對於微波信號來說是“透明的”。這樣就可以得到不同溫度下的材料特性,如圖16所示。

16. 自由空間法高溫測試示例

   是德科技典型的自由空間法測試方案配置舉例如下。

自由空間法參考配置

項目

型號

描述

數量

測試附件

天線,校準板,線纜等

天線以及線纜需要根據頻率等來進行選擇,一般需要partner提供。

若干

 

測試軟件

 

N1500A

材料測試軟件套件

1

N1500A-001

傳輸線和自由空間法測試選件

1

N1500A-UL8

USB Key

1

網絡分析儀

(這裡只列出了PNA的情況,其他平臺網分亦可)

N5225B

50GHz PNA 高性能網絡分析儀

1

N5225B-200

2端口基礎配置

1

S93010

時域選件,用來進行GRL校準

1

校準件

ECAL或者機械校準件

1

  • 自由空間法測試材料總結:

自由空間法測試材料是一種非接觸式的,對材料非破壞;適合於高溫測試;可以測量介電材料和磁性材料等;但是該方法也有一些侷限性,比如整個測試系統需要特製校準件以及GRL等校準方法來進行校準;被測樣品與天線的距離需要精確控制;不能測試低損耗材料等。

6.   諧振腔法

  • 頻率範圍:不同的諧振腔測試頻率不同。總的來說可以覆蓋1.1G~80GHz之間的標誌性頻點(一個諧振腔對應一個頻點);多頻點諧振腔可以覆蓋10G~110GHz頻率範圍。

  • 測試參數:介電常數

  • 參考精度:依賴所選諧振腔,比如SPDR精度:’:±(0.0015 + Δh/h)tanδ2*10-5 

  • 樣品要求:片狀,且厚度均勻已知


一般對於PCB基板的測試,多采用諧振腔法,因為諧振腔法可以提供非常高的損耗正切測量精度,所以特別適合印刷電路板以及高分子材料的測試等。傳統的諧振腔法大多都是單點頻的測試。

這種測試方法利用諧振腔在加入被測材料前後的諧振頻率變化以及品質因數的變化來得到材料的介電常數等參數。大部分的諧振腔測試都是遵循美國材料測試協會的標準ASTM D2520 腔體微擾法進行測量的。腔體微擾法在測量過程中,首先測量空腔的中心頻率以及品質因數,然後插入樣品後再次測量加載樣品後的中心頻率以及有載品質因數。再通過如下公式,計算出介電常數和損耗。其中為空腔體積,為樣品體積。

17. 諧振腔法原理示意圖

是德科技提供完整的諧振腔法測試系統,主要包括網絡分析儀,測試軟件以及諧振腔夾具。是德科技多平臺網絡分析儀都支持諧振腔法測材料,包括PNAENAPXIe VNA以及USB VNA等;是德科技N1500A材料測試軟件支持多種諧振腔夾具;是德科技同時提供多種高Q值的諧振腔夾具,例如分離介質諧振腔(SPDR),分裂圓柱諧振腔(SCCR)以及平衡圓柱諧振腔(BCDR)等,供不同需求的客戶進行選擇。

SPDRSplit Post Dielectric Resonator)利用低損耗介質材料,相較於傳統的金屬腔體擁有更高的Q值以及更好的溫度穩定性。是德科技可以直接提供頻率為1.1GHz2.5GHz5GHz10GHz以及15GHzSPDR諧振腔夾具,如圖18所示。SPDR相對成本較低,而且對材料基片的物理尺寸只要滿足下圖要求即可。圖18是一個典型的SPDR測試的場景以及不同諧振腔對於測試材料的尺寸要求。

18. SPDR諧振腔測試方法

SCCRSplit Cylinder resonator)是將一個圓柱形諧振腔從中間一分為二,測試時將被測樣品插入兩個半圓柱腔中間的間隙中,當插入樣品後,諧振腔的S21測試曲線的諧振峰頻率會左移,而Q值會降低,則通過計算就可以得到被測樣品的介電常數以及損耗值等參數。SCCR的測試方法是遵循IPC測試標準TM-650 2.5.5.13。典型的SCCR測試場景如圖19所示。

19. SCCR諧振腔測試方法

SCCR諧振腔可以提供比SPDR更高的頻率覆蓋,當然也是單頻點的測試方案,是德科技能夠提供的解決方案中SCCR諧振腔最高可以覆蓋80GHz,如圖20所示。

20. SCCR諧振腔頻率選擇

對於樣品尺寸的要求,10GHzSCCR諧振腔要求樣品推薦大小為62mm x 75mm,其他頻率的SCCR推薦樣品大小34mm x 45mm。而樣品的最大厚度要求則根據被測材料的介電常數以及測試頻率有所不同。對於損耗小於0.01的材料厚度要求可以參考圖21

21. SCCR諧振腔測試對樣品厚度的要求

此外,近年來,材料測試的頻率覆蓋越來越高,並且對於多頻點低損耗材料測試的需求日益旺盛。所以是德科技除了提供單頻點諧振腔外,還能提供同時覆蓋多頻點測試的諧振腔BCDRBalanced type Circular Disk Resonator),可以覆蓋10GHz110GHz的多頻點測試。BCDR利用的基模和高次模(m=123……)可以同時進行多頻點的測試。在該方法的測試中,BCDR必須通過同軸電纜在圓盤的正中心激發出的基模以及高次模,從而完成多頻點的測試。而測試原理也是通過得到有被測樣品時和空腔時的模(m=123……)的諧振頻率偏移來最終得到介電特性結果的,模的諧振頻率與被測材料的介電常數以及所用圓盤電極的尺寸大小有關。BCDR實測圖如圖22所示。相較於SCCR以及SPDRBCDR的電場方向是垂直於被測材料表面的,也即是平行於厚度方向,這在毫米波的諧振腔中是比較獨特的。並且由於BCDR的頻率覆蓋比較高,所以推薦67GHzPNA或者110GN5290A搭配使用。

22. BCDR多頻點測試系統

BCDR的典型參數以及對於被測樣品的要求如下圖所示。

23. BCDR典型參數以及對測試樣品尺寸要求

   是德科技完整的諧振腔測試方案包括毫米波網絡分析儀,材料測試軟件N1500A以及諧振腔夾具。下面給出SPDRSCCR以及BCDR的典型參考配置。

SPDR 參考配置

項目

型號

描述

數量

 

 

SPDR諧振腔

(根據頻率選擇一個或多個)

N1501AE19

1.1GHz SPDR 諧振腔

1

N1501AE03

2.5GHz SPDR 諧振腔

1

N1501AE04

5GHz SPDR 諧振腔

1

N1501AE10

10GHz SPDR 諧振腔

1

N1501AE15

15GHz SPDR 諧振腔

1

 

測試軟件

 

N1500A

材料測試軟件套件

1

N1500A-003

諧振腔測試選件

1

N1500A-UL8

USB Key

1

網絡分析儀(這裡只列出了PNA的情況,其他平臺網分亦可)

N5222B

26.5GHz PNA 高性能網絡分析儀

1

N5222B-200

2端口基礎配置

1

測試附件

線纜轉接頭

根據不同的網分接口相應配置

若干


SCCR 參考配置

項目

型號

描述

數量

 

 

SCCR諧振腔

(根據頻率選擇一個或多個)

N1501AKEAD-720

20GHz SCCR 諧振腔

1

N1501AKEAD-724

24GHz SCCR 諧振腔

1

N1501AKEAD-728

28GHz SCCR 諧振腔

1

N1501AKEAD-735

35GHz SCCR 諧振腔

1

N1501AKEAD-740

40GHz SCCR 諧振腔

1

N1501AKEAD-750

50GHz SCCR 諧振腔

1

N1501AKEAD-760

60GHz SCCR 諧振腔

1

N1501AKEAD-780

80GHz SCCR 諧振腔

1

 

測試軟件

 

N1500A

材料測試軟件套件

1

N1500A-007

SCCR諧振腔測試選件

1

N1500A-UL8

USB Key

1

網絡分析儀(這裡只列出了PNA的情況,其他平臺網分亦可)

N5227B

67GHz PNA 高性能網絡分析儀

1

N5227B-200

2端口基礎配置

1

測試附件

線纜轉接頭

根據不同的網分接口相應配置

若干


BCDR 參考配置

項目

型號

描述

數量

 

 

BCDR諧振腔

(根據頻率選擇)

N1501AE67-001

67GHz BCDR 諧振腔

1

N1501AE11-001

110GHz BCDR 諧振腔

1

N1501AE67/11-002

12mm圓電極選件(5個)

1

N1501AE67/11-003

15mm圓電極選件(5個)

1

N1501AE67/11-004

18mm圓電極選件(5個)

1

網絡分析儀

67G  PNA 或者110G N5290A

N5290A

110GHz 網絡分析儀

1

N5290A-202

2端口配置

1

測試附件

校準件

85059B

1

線纜轉接頭

根據不同的網分接口相應配置

若干

  • 諧振腔法測試材料方案總結:

諧振腔法的優勢有測試精度高;非常適合低損耗材料測試;並且對材料樣品尺寸加工要求不高。而該方法由於選擇的諧振腔不同,對應地只能完成單頻點或者有限的多頻點測試。


四. 一些新的測試方案

   在材料測試領域,由於材料測試方法多種多樣,並且被測材料的形狀也是千差萬別,所以很多時候,夾具的適配度是一個重要的考量。是德科技除了以上方案,還聯合了Solution Partner,為客戶提供更多樣化的材料測試整體方案。

1. Swissto12 MCK

Swissto12提供的MCKMaterial Characterization Kit),為測試頻率大於25GHz的材料提供了一種更方便操作,覆蓋頻率更寬,材料樣品制樣更容易的一種選擇。MCK測試示意圖如圖24所示,頻率選件如圖25所示。

24. Swissto12 MCK測試示意圖

25. Swissto12 MCK覆蓋的測試頻段

 Swissto12 MCK是由兩個完全一樣的波紋圓錐喇叭波導天線組成的,並且樣品放置在MCK設計好的波導端面,使得其所在的位置正好是被激勵出的圓錐波紋喇叭主模模的平面波前。所以MCK有時候也被叫做引導式的自由空間法。相較於傳統的自由空間法,由於其被測材料位置固定,所以操作起來更加簡單,且可重複性更好。典型測試精度如圖26所示。而且除了平板固體材料以外,還可以測試液體,粉末,薄膜或者多層材料等(測試薄膜多層材料需要額外的軟件)。

26. Swissto12 MCK 測試典型精度


是德科技搭配Swissto12 MCK的完整材料測試方案,典型參考配置如下。

項目

型號

描述

數量

 

 

Swissto12

MCK

(根據頻率選擇)

N1501AMCA

Swissto12 MCK

1

N1501AMCA-W15

WR15 MCK

1

N1501AMCA-W12

WR12 MCK

1

N1501AMCA-W10

WR10 MCK

1

N1501AMCA-W06

WR06 MCK

1

N1501AMCA-W03

WR03 MCK

1

N1501AMCA-W02

WR02 MCK

1

線纜及附件

(根據需求選擇)

線纜

根據網絡分析儀型號選擇

若干

同軸轉波導轉接頭

根據線纜型號以及MCK波導口選擇

若干

校準片

根據MCK波導口選擇

若干

 

測試軟件

 

N1500A

材料測試軟件套件

1

N1500A-001

傳輸線和自由空間法測試選件

1

N1500A-UL8

USB Key

1

網絡分析儀

(這裡只列出了PNA的情況,其他平臺網分亦可)

N5227B

67GHz PNA 高性能網絡分析儀

1

N5227B-200

2端口基礎配置

1

S93010

時域選件

1

2. FS-330

EM Labs提供的FS-330測試夾具,可以更容易地完成最高達330GHz的自由空間法的材料測試。傳統的自由空間法測試,由於對收發天線高度一致性的要求,以及被測材料放置位置的要求,所以往往都需要搭配準光學平臺等附件來完成精確的材料測試。而FS-330測試夾具套件自身就擁有精確的天線位置以及樣品位置機械結構,從而能夠使得自由空間法的操作更加簡便,測試結果更加精確。FS-330測試套件擁有兩個透鏡喇叭天線,可以減小樣品與天線之間的距離,從而使得整個測試夾具擁有更小的尺寸;並且採用旁瓣更低的喇叭天線,從而使得測試的可重複性更高,並且捨去了對於吸波暗室的需求,極大地縮減了測試成本。搭配是德科技的網絡分析儀以及測試軟件N1500A,可以完成介電常數以及磁導率的測試等;此外FS-330通過選擇不同選件,還可以完成斜入射的測試,從而得到反射率等的測試結果。FS-330測試套件如圖27所示。

27. FS-330 測試套件

   FS-330測試套件可以分段覆蓋18GHz~330GHz的頻率範圍,如圖28所示。FS-330的喇叭天線接口擁有兩種配置,同軸接口配置(圖28上半部分)和波導接口配置(圖28下半部分)。

28. FS-330 頻率選件

FS-330對於樣品的要求,也需要被測樣品為平面片狀結構,並且厚度要精確已知,不同頻段的天線,需要的最小尺寸也不同,列於圖29所示。樣品的厚度建議利用N1500A

Sample Thickness Suggestion的建議來選擇。

29. FS-330不同頻段的樣品尺寸要求


是德科技可以推出搭配FS-330的完整材料測試方案,典型參考配置如下。

項目

型號

描述

數量

 

 

 

 

 

FS-330夾具套件

(頻率選件根據需求選擇)

N1501AFS

自由空間法測試夾具套件

1

N1501AFS-330

FS-330夾具主體

1

N1501AFS-KCF

K波段2.4mm同軸接口夾具

1

N1501AFS-KWG

K波段WR42波導接口夾具

1

N1501AFS-RCF

R波段2.4mm同軸接口夾具

1

N1501AFS-RWG

R波段WR28波導接口夾具

1

N1501AFS-QCF

Q波段2.4mm同軸接口夾具

1

N1501AFS-QWG

Q波段WR22波導接口夾具

1

N1501AFS-UCF

U波段1.85mm同軸接口夾具

1

N1501AFS-UWG

U波段WR19波導接口夾具

1

N1501AFS-VCF

V波段1.0mm同軸接口夾具

1

N1501AFS-VWG

V波段WR15波導接口夾具

1

N1501AFS-ECF

E波段1.0mm同軸接口夾具

1

N1501AFS-EWG

E波段WR12波導接口夾具

1

N1501AFS-WCF

W波段1.0mm同軸接口夾具

1

N1501AFS-WWG

W波段WR10波導接口夾具

1

測試線纜

(根據需求選擇)

線纜

根據網絡分析儀型號選擇

若干

 

測試軟件

 

N1500A

材料測試軟件套件

1

N1500A-001

傳輸線和自由空間法測試選件

1

N1500A-UL8

USB Key

1

網絡分析儀

(這裡只列出了67GHz PNA的情況,更高頻率可以選擇N5290A

N5227B

67GHz PNA 高性能網絡分析儀

1

N5227B-200

2端口基礎配置

1

S93010

時域選件

1



3.   使用ADS提取PCB的介電常數(Dk)和介質損耗角(Df

與前面測量材料參數採用的方法不一樣,ADS提取PCB材料的DkDf採用的是傳輸線法,所以這種方法測試的並不是測試的裸材料,但是對於PCB而言,這是相對最接近實際的材料最終特性。

DkDf是材料的基本上屬性參數,它們會隨著頻率的變化而變化。高速數字電路和高頻電路都是在一定帶寬內工作的,所以在使用PCB時也需要考慮到材料參數的頻變性。因此,在仿真電路的時候就需要頻變的材料參數模型。

ADS採用了Svensson/Djordjevic模型,其復介電常數表達式為:

其中,fLfH是模型參數,定義為:

是當頻率趨於無窮大時的介電常數,a是個固定的係數。

ADS將通過給定頻點的DkDf以及設定的fLfH計算出a,從通過公式計算得到任意頻點的電常數。典型的頻變DkDf曲線如下:

30 . 左圖為Dk的實部,右圖實線為Dk的虛部,虛線為Df

該模型可以保證傳輸線的仿真結果滿足因果性(causality),這對於高速電路設計來說是非常關鍵的。

在使用ADS傳輸線法提取PCB材料參數時,首先需要設計並生產一塊PCB板,設計出相應的傳輸線類型,再使用網絡分析儀和 AFR軟件獲得準確的傳輸線S參數,再在ADS中通過擬合獲取PCB材料的參數。使用ADS提取PCB材料參數的流程如圖31所示:

31. ADS提取PCB材料參數

32所示為通過ADS提取的DkDf,其Dk隨著頻率的升高變小,Df隨著頻率的升高變大:

32. DkDf的頻變參數

如圖33所示為使用提取的DkDf仿真的插入損耗和相位與實測結果的對比,結果非常吻合,如下圖所示。

33. DkDf的結果對比

在實際的材料參數提取時,可以考慮銅箔的粗糙度,也可以不考慮銅箔的粗糙度,具體根據實際的應用選擇。這類方式提取PCB材料參數的頻率可以達到50GHz及以上。

五.總結

是德科技提供多種多樣的材料測試整體解決方案,包括測試儀表,夾具以及軟件,可以覆蓋固體,液體,粉末,薄膜材料,磁環等的測試需求,如圖34所示。

34.是德科技材料測試方案


參考資料

  1. 1.    Keysight N1500A Materials Measurement Suite, Technical Overview, literature number 5992-0263EN

  2. 2.    Keysight N1501A Dielectric Probe Kit, Technical Overview, literature number 5991-0264EN

  3. 3.    Challenges and Solutions for Material Science/Engineering Testing Applications, literature number 5992-1182EN

  4. 4.    Online Help for N1500A Materials Measurement Suite, https://rfmw.em.keysight.com/wireless/helpfiles/N1500A/N1500A.htm

  5. 5.    Agilent材料測試方案2013

  6. 6.    材料測試建議書;

  7. 7.    Partner網站。


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