Контроль диэлектрической постоянной СВЧ подложек для плат

Олеся (@leka_engineer), инженер-разработчик СВЧ устройств, делится опытом измерения диэлектрической проницаемости материала.

Введение

Я разработчик СВЧ устройств. Если открыть учебник физики, читатель узнает, что существует несколько типов линий передач, где может распространяться электромагнитная волна. И хотя волноводная техника всё ещё незаменима в мм диапазоне, для применений от, скажем, 1 до 30 ГГц в основном используются печатные линии. Иными словами СВЧ устройства сделаны на основе печатных плат. Для СВЧ печатных плат необходимы специальные подложки (про выбор подложки я писала ранее).

В отличие от цифровой, в аналоговой схемотехнике используется множество распределенных элементов — короткие отрезки микрополосков, эквивалентные параллельной емкости, длинные спирали и закороченные отрезки, эквивалентные индуктивности, и т.д. Почти вся аналоговая схемотехника построена на четвертьволновых отрезках, с помощью них может быть реализована развязка для питания, это основной элемент трансформатора и, например, делителя Вилкинсона.

Рис.1 Делитель Вилкинсона (картинка из интернета)

Рис.2 Двухкаскадный делитель Вилкинсона

Длина волны в материале обратно пропорциональна корню из диэл. проницаемости, следовательно при отклонении диэл. проницаемости от значения по паспорту, которое использовалось при расчетах, все характеристики "уедут" по частоте.

Например, делитель Вилкинсона на рабочей частоте должен иметь минимум КСВ и минимум модуля коэф. передачи между выходами. При изменении эпсилон подложки, четверти будут действительны для другой частоты, минимум КСВ будет на другой частоте.

Опыт измерения диэлектрической проницаемости материала

Я писала статью про свой опыт заказа СВЧ плат в России. Ведь у меня пока что не было опыта заказа плат в других странах. Я знаю, что многие не-СВЧ разработчики заказывают платы в Китае (об этом свидетельствует множество ответов на мой вопрос подписчикам "где вы заказываете платы?" Кстати, все ответы я свела в таблицу, опубликованную в упомянутой статье).

Когда-то давно у меня был интересный опыт связанный с СВЧ платами из Китая. Дело в том, что когда мы (отдел СВЧ разработчиков) получили партию устройств и стали измерять их характеристики, мы заметили странности. Устройства были сложные, состояли из нескольких СВЧ узлов, именно поэтому сложно сразу было понять в чём дело. Начальник высказал предположение, что эпсилон материала немного другая, чем должна быть. И мы стали проверять это предположение. Так как у нас на руках были только наши устройства, никаких обрезков материала или целых листов нам, естественно, не прислали, мы были ограничены в методах проверки.

Методы измерения параметров материалов можно разделить на несколько групп. Подробнее почитать про техники можно в Application Note Agilent Basics of Measuring the Dielectric Properties of Materials.

Рис.3 Слайды из презентации Keysight

Некоторые из них подходят только для жидкостей (коаксиальный зонд), некоторые только для относительно больших образцов (метод измерения с помощью двух антенн). Нам был доступен только метод измерения в линии передачи, а точнее в волноводной линии передачи.

Подготовка. Мы стравили (не сами) с одной из плат всю фольгу. Вырезали прямоугольник (даже несколько) точно размера волновода. К тому же подготовили еще пару образцов из известного материала для проверки.

Измерения. Сотрудники Keysight были так добры, что помогли нам с этими измерениями. Мы использовали PNA-X c установленным ПО для измерений параметров материалов и вот такой набор.

Рис.4 Волноводный набор для измерения параметров материалов Keysight

Метод состоит в том, что в линию передачи включается образец известной длины и толщины, но с неизвестной диэл. проницаемостью. Векторный анализатор цепей измеряет коэф. передачи на разных частотах и строит график зависимости эпсилон от частоты.

Теперь подробнее. В набор входят 2 коаксиально-волноводных перехода (КВП), отрезок волновода, куда вставляется измеряемый образец и волноводный калибровочный набор: согласованная нагрузка, ХХ и КЗ. Также есть специальные фиксаторы-зажимы, которые стягивают фланцы волноводов.

Рис.5 Процесс измерений параметров материалов. Метод волноводной линии передачи (моя фотография)

На фотографии сверху видна согласованная нагрузка, на переднем плане два КВП, между ними должен быть помещён отрезок линии передачи. Сначала безо всего, как на рисунке 5, затем туда необходимо вставить свой образец. Далее программа сама рассчитает значение эпсилон на основе сравнения измеренных коэффициентов передачи. Очень важно, чтобы образец был вырезан точно по размеру волновода (проблема у нас, например была в небольших технологических радиусах по углам). Очевидно, что если будут щели, будет показана эффективная эпсилон материал+воздух.

Итоги. Мы тогда выяснили, что отличие эпсилон материала от паспортного значение оказалось около 2%

Что же можно сделать, чтобы предотвратить такие неприятности? Ведь, если на простой схеме из одного элемента, можно довольно легко и быстро выявить отклонения, то на сложном устройстве из несколько узлов это намного сложнее. Ответ: тест-купоны (test coupons, чаще всего представляют собой резонаторы).

Тест-купоны

Самый простой тест-купон — обычный резонатор в виде open stub.

Рис.6 Резонатор длиной l1, шириной W1

На частоте, когда длина l1 равна четверти длины волны в материале, ХХ на конце резонатора образует короткое замыкание в точке соединения, таким образом на частотной зависимости модуля коэф. передачи 21 будет виден провал. Мой пример с измерениями:

Рис. 7 Резонатор и его АЧХ

Один из самых распространённых типов тест-купонов — резонатор в виде кольца, у такого элемента выше добротность.

Рис.8 Резонатор в виде кольца и его эквивалентная схема (картинка из интернета)

Резонаторы-кольца иногда дополняют разными элементами для улучшения согласования. Например:

Реализация. Первый, самый простой способ — при мультипликации заготовки с платами, добавить плату с резонатором "тест-купоном". Часто нет возможности сделать отдельную плату, поэтому можно расположить резонатор где-то в уголке и сделать посадочные места для вертикальных разъемов.

Оригинал статьи читайте на Хабре.

Мы всегда рады сотрудничеству с новыми авторами. Если у вас есть уникальная экспертиза или просто качественный материал, полезный инженерам-разработчикам электроники, мы с удовольствием поделимся им на страницах раздела Авторские статьи. Присылайте свои статьи на почту articles@rezonit.ru