Метод оценки диэлектрической константы СВЧ ламината с помощью ВАЦ «Планар»
Автор: Ревуцкий Степан Дмитриевич, ведущий инженер-разработчик СВЧ устройств ООО "НПП "ИТЭЛМА", автор блога "СВЧушки".
Вступление
Летом 2022 года возникли проблемы с поставками СВЧ ламинатов от Rogers. Наша команда начала поиск доступных альтернатив материалам серии RO4000.
Компания «Резонит», в которой мы заказывали большую часть печатных плат, оперативно отреагировала на сложившуюся ситуацию и предложила вместо ламинатов Rogers китайские аналоги - Wangling серий WL-CT338 и WL-CT350 (рис.1).
Рис.1 Наличие аналогов RO4000 у «Резонит»
Также перед нашей командой маячила перспектива применения ламинатов других производителей. Поэтому и возникла потребность в подготовке достаточно простых тестов, которые бы позволили в максимально короткие сроки провести оценку относительной диэлектрической проницаемости ламината (Dk). Это необходимо для того, чтобы можно было понять, насколько характеристики нового материала соответствуют тем данным, что производитель приводит в документации.
А если вспомнить, что происходило летом 2022 года в российской электронике, то возникшую задачу можно сформулировать следующим образом - нужно придумать, как проводить тестирование СВЧ ламината без применения западного измерительного оборудования и оснастки. Все должно быть российским или, в крайнем случае, партнерско-китайским.
Вариант решения
Видимо, у меня уже наступила профдеформация, но на протяжении многих лет мой основной измерительный прибор - векторный анализатор цепей (ВАЦ). На тот момент времени мне был доступен планаровский ВАЦ «Cobalt C2420» [5]. Поэтому и методику я готовил именно под этот инструмент.
Вообще, есть много различных методов оценки Dk с применением ВАЦ. Я остановился на дифференциально-фазовом методе с использованием микрополосковых линий (МПЛ) разной длины [2]. Этот метод хорошо известен и используется уже в течение многих лет [3]. В этом методе проверки характеристик передачи, основанном на измерении фазы, применяются две МПЛ, которые различаются лишь физической длиной (рис. 2). При испытании измеряются характеристики передачи квазипоперечной (квази-ТЕМ) электромагнитной волны и ее ФЧХ для пары микрополосковых линий. Рассчитать Dk для ламината можно, сравнивая ожидаемую фазу микрополосковых линий для данной частоты с результатами измерений. Чтобы избежать влияния каких-либо неоднородностей в свойствах материала печатной платы, микрополосковые линии устанавливаются как можно ближе друг к другу. В общем случае они представляют собой линии передачи с волновым сопротивлением 50 Ом.
Рис.2 Тестовая плата для оценки Dk СВЧ ламината дифференциально-фазовым методом
Обратите внимание, что для подключения тестовой платы к ВАЦ используются соответствующие коаксиально-микрополосковые переходы (КМПП) [4]. Это делается для того, чтобы обеспечить хорошее контактное соединение между коаксиальными соединителями и тестовой платой без применения пайки. Такое решение позволяет использовать одни и те же соединители и для короткой, и для длинной микрополосковых линий, что сводит к минимуму влияние соединителей на конечные результаты измерений.
При вычитании фазовых сдвигов для определения разности фаз короткой и длинной микрополосковых линий также устраняется влияние соединителей (КМПП) и областей ввода сигнала в линию. Если обратные потери (потери на отражение) для обеих МПЛ невелики, а соединители имеют одинаковую ориентацию и подключение к измерительным приборам, то большинство негативных эффектов от КМПП и точек ввода сигналов сводятся к минимуму.
Уравнения для расчета относительной диэлектрической проницаемости при использовании дифференциально-фазового метода с использованием микрополосковых линий разной длины приведены ниже (рис. 3).
Рис.3 Уравнения для расчета эффективной диэлектрической константы [2]
В этих уравнениях c — скорость света в свободном пространстве; f — частота измерения фазового угла на характеристике S21; ΔL — разница между физическими длинами двух цепей; ΔФ — разница между фазовыми углами короткой и длинной микрополосковых линий [2].
Тут следует дать некоторые пояснения - с помощью описываемого метода нельзя сразу получить оценку Dk. Вместо этого вычисляется эффективная диэлектрическая константа [6]. Поэтому методика оценки Dk следующая:
1) измерение фазового угла через S21 в зависимости от частоты для короткой и длинной микрополосковых линий;
2) использование уравнений (рис.3) для определения измеренного эффективного значения диэлектрической константы;
3) определение точных физических размеров МПЛ тестовой платы (рис.4), которые вводятся в специализированное ПО, с использованием исходного значения диэлектрической константы;
4) применение ПО для генерации эффективного значения Dk.
Следует менять Dk, пока измеренные и смоделированные эффективные значения Dk не совпадут на одной частоте.
Какого-то супер дорого софта здесь не нужно. Для получения оценки эффективной диэлектрической пронецаемости можно воспользоваться, например, приложением TXLine [7].
Рис.4 Определение размеров МПЛ тестовых плат
После проведения измерений S-параметров МПЛ на тестовых платах (рис.5.1 и рис.5.2) проводятся вычисления для получения оценки эффективной Dk. Результаты расчетов приведены на рис.6.
Рис.5.1 S-параметры МПЛ 30 мм
Рис.5.2 S-параметры МПЛ 40 мм
Из графиков (рис.5.1 и рис.5.2) видно, что на частоте 16,47 ГГц возникает паразитный резонанс. Поэтому частотный диапазон для проведения оценки эффективной диэлектрической константы был ограничен частотой 15 ГГц (рис.6). Были измерены три тестовые платы, выполненные из материала WL-CT338 (Dk=3,38) толщиной 0,813 мм. На каждой плате по две МПЛ разной длины (рис.2).
Рис.6 Оценка эффективной диэлектрической константы
На рис. 6 пунктирными линиями обозначены результаты измерений, а сплошными - результаты расчетов. Расчеты эффективной диэлектрической постоянной выполнены для значений Dk = 3,38; 3,44; 3,5. Как видно из графиков, обещанные производителем значения Dk = 3,38 несколько не соответствуют реальности. До 10 ГГц значение Dk находится между 3,44 и 3,5 (и даже немного превышают 3,5). После 10 ГГц значение Dk немного уменьшается и почти вписывается в коридор между 3,38 и 3,44.
А теперь давайте немного усложним задачу
Современные САПР СВЧ позволяют создать модель МПЛ с высокой точностью. Поэтому при оценке Dk можно использовать более сложные модели, чем те, что есть в TXLine. Ниже представлены (рис.7.1 и рис.7.2) модели МПЛ, выполненные в ANALYST (AWR DE).
Рис.7.1 ЭМ-модель МПЛ 30 мм
Рис.7.2 ЭМ-модель МПЛ 40 мм
После расчета S-параметров моделей МПЛ проводится вычисление эффективной диэлектрической константы в соответствии с уравнениями (рис.3).
Теперь сравним результаты моделирования с результатами измерений (рис.8).
Рис.8 Оценка эффективной диэлектрической константы модели и тестовых плат
На рис. 8 пунктирными линиями обозначены результаты измерений, а сплошной - результаты расчетов.
Как видно из графиков, измеренная эффективная диэлектрическая константа больше чем у модели. Это было ожидаемо, т.к. аналогичный результат был получен и при сравнении измерений с более простыми расчетами. Но вот сама кривая, описывающая зависимость эффективной диэлектрической константы, гораздо ближе к результатам измерений по форме.
Теперь увеличим Dk в ЭМ-модели МПЛ до такой величины, чтобы график, полученный при моделировании, как можно лучше совпал с графиками, полученными при измерениях (рис.9).
Хорошее совпадение между моделью и измерениями получено при значении Dk = 3.54. Этот результат близок к тому, что был получен на предыдущем этапе - при сравнении результатов измерений с расчетами, выполненными с помощью TXLine. Однако оценка, полученная при моделировании в ANALYST, позволяет получить более точный и однозначный результат для Dk.
Помимо оценки Dk, используя приведенный метод испытаний, можно определить и погонные потери МПЛ (S21).
Рис.9 Оценка эффективной диэлектрической константы модели и тестовых плат
Итог
Подводя итог всему выше написанному, следует сказать, что поставленная задача была решена. И решение было получено исключительно с применением российского измерительного оборудования от «Планар» и оснастки российской фирмы «НПК ТАИР» (входит в группу компаний «Планар»).
Источники информации:
«Mатериалы для СВЧ и гибридных плат», сайт «Резонит»;
«Определение параметров материалов печатных плат в миллиметровом диапазоне», статья в журнале СВЧ-электроника №3 2019;
«Two Methods for the Measurement of Substrate Dielectric Constant», статья IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Vol. 35. No. 7. July 1987;
«КМПП производства «НПК ТАИР», заметка в паблике «СВЧушки»;
Раздел «статьи» на сайте компании «Планар»;
«Микрополосковая линия», статья на сайте Википедии;
«Расчет волнового сопротивления. Часть 1. AWR TXLine 2003.», заметка в паблике «СВЧушки».