技术文章 | 毫米波材料的介电测量解决方案

微波是指频率为300MHz~300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1毫米~1米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。

毫米波 （millimeter wave ）：波长为1～10毫米的电磁波称毫米波，它位于微波与远红外波相交叠的波长范围，因而兼有两种波谱的特点。毫米波的理论和技术分别是微波向高频的延伸和光波向低频的发展。

毫米波在通信、雷达、制导、遥感技术、射电天文学、临床医学和波谱学方面都有重大的意义。利用大气窗口的毫米波频率可实现大容量的卫星-地面通信或地面中继通信。利用毫米波天线的窄波束和低旁瓣性能可实现低仰角精密跟踪雷达和成像雷达。在远程导弹或航天器重返大气层时，需采用能顺利穿透等离子体的毫米波实现通信和制导。高分辨率的毫米波辐射计适用于气象参数的遥感。用毫米波和亚毫米波的射电天文望远镜探测宇宙空间的辐射波谱可以推断星际物质的成分。

图1 无线电波的波长/频率

复介电常数e和复磁导率m是介质材料的两个基本参数。

Permittivity=介电常数=er；Permeability=磁导率mr；Loss Tangent=tand=损耗正切也称为介质损耗因子。

毫米波等高频无线电波具有“大气衰减”和“更高的直线度”等特性。此外，在高频电路中，还具有“印刷电路板损耗增加”、“电路特性因布线图案的形状和电路板上的材料而异”和“无线电波传播特性因环境温度的变化而异”等特性。这些材料特性影响移动终端和汽车雷达的射频Tx/Rx性能。因此，为了实现更好的功能和性能，正在开发考虑基材和涂层材料介电常数的频率和温度特性的材料。

在此背景下，介电常数的测量对于介电应用变得非常重要。例如，开发汽车应用的高介电材料需要温度循环测量。人们也越来越需要能够测量多层结构，如汽车标志，它结合了车身材料和表面，以及由几种具有不同性能的材料组成的复合材料。

此外，作为控制毫米波无线电环境的材料，还测量“超材料”的介电常数，该材料可以通过人工形成小于无线电波波长的精细周期性结构来实现任意介电常数。涉及操作环境变化的测试不仅包括温度变化，还包括低温/高温、在恒定负载下进行拉伸测试时的测量或减压下的测量。

• 相对于4G（LTE）频段，5G频段的无线电波在大气中衰减。

• 降雨和凝结等水滴引起的衰减在28 GHz频段尤为明显。

• 无线电波的直线度值得注意。

  
  

5G无线电波由于其高频而容易衰减，因此范围有限。无线局域网也存在同样的问题，例如，在某些情况下，由于IEEE 802.11ax/be中5 GHz频段的无线电特性，用户已切换到2.4 GHz频段。

特别是在28 GHz频段，雨水和凝结的水滴会显著衰减无线电波。作为对策，基站天线采用防水涂料和材料来防止水滴粘附。同时，为了防止天线性能下降，挑战在于实现满足这两个要求的介电材料。此外，以下主题是多项研究的主题：

• 用于墙壁和隔墙等具有高无线电波透明度的建筑材料

• 抑制高频电路板中的介电损耗

• 保持稳定而不因热而改变介电常数的材料

  
  

为了对这些材料进行介电测量，在考虑测量环境温度变化的同时，模拟真实环境是必要的。

• 由于基材中的杂质，电气特性可能会出现各向异性。

• 对于毫米波雷达，需要在不影响车辆外观的情况下确保出色的雷达性能

  
  

毫米波雷达贴片天线的印刷电路板包含玻璃布或其他材料，这会导致电特性的各向异性。各向异性导致模拟结果和测量结果之间存在差异，而材料的特性可能不稳定。因此，采取措施消除各向异性，例如在基材中不使用玻璃布。此外，汽车毫米波雷达通常安装在前/后标志和保险杠后面，以免影响车辆的外观。因此，这些标志和保险杠需要由金属漆或树脂制成，使其具有豪华的外观，同时允许毫米波通过。为此，正在考虑以下事项。

• 用于覆盖雷达的材料和用于在挡风玻璃内安装雷达的材料的介电常数评估。

• 对安装的无线电波吸收器进行介电常数评估，以防止从车辆和前方护栏反射的毫米波从前格栅反射

  
  

对于此类材料，根据样品的尺寸和形状，一种可以测量介电常数分布的方法很重要。

本节介绍用于对通信系统和雷达中使用的材料进行介电测量系统的基本配置。该系统由三个主要部分组成（图2）

图2 介电常数测量系统的基本配置

第一个是矢量网络分析仪（VNA），这是一种测量VNA端口之间幅度和相位频率特性的测试设备。VNA根据测量条件产生输入信号并捕获输出信号。VNA有小型、便携但功能强大的型号，具有广泛的功能。不同的型号可用于覆盖多个频率范围。根据目标和目的选择最合适的VNA。

第二个是用于测量样品介电常数的夹具。附上待测材料的样品，并连接VNA的输入/输出电缆。夹具应根据样品的类型和形状以及测量条件进行选择。

第三个使用VNA自动测量样品频率特性的PC软件。根据测量数据计算样品的介电常数和介质损耗因子/损耗正切（指示介电材料损耗转化为热量的程度：DF），并将结果显示在PC屏幕上。

夹具和PC软件由介电常数测量系统供应商提供，而VNA由安立等测量设备供应商提供。

一般介电测量可分为两类（表1）。

表1 两种类型的介电常数测量和目标样品

1）谐振腔法

第一种是“谐振腔法”。这种方法适用于测量200 MHz至330 GHz频率范围内的树脂（板材和薄膜）、粉末、陶瓷、油等。将样品放入谐振腔中，通过VNA测量谐振频率变化以获得介电常数。此外，介电损耗可以从Q值的变化中确定。这种方法不适合测量介电损耗较大的材料，如雷达吸波材料。

2）无线电传播方法

第二种方法是“无线电传播方法”。这种方法可用于测量多种样品，包括树脂（板材和薄膜）、油漆、胶粘剂、橡胶和油，只要它们是100μm或更厚的薄膜，并且具有相对较高的介电损耗。将样品放置在传播无线电波的路径中，介电常数由无线电波对样品的透射和反射量确定。

工程师需要考虑以下因素来选择最佳的介电常数测量方法。

• 根据测量样品介电常数的频率范围来选择夹具和测量系统

• 样品的性质（特别是介电损耗）

• 样品的厚度和尺寸

• 进行测量的温度和湿度

• 压力是否降低。

  
  

例如，无线电波传播方法适用于测量损耗正切DF为0.05或更大的样品。另一方面，由于应用无线电传播方法的困难，谐振腔法非常适合测量DF小于0.05的样品和薄膜样品。请注意，即使材料相同，所使用的测量方法不仅在薄膜样品和固体样品之间可能不同，而且特性也可能不同。

较大的样品往往更容易用VNA检测和测量。然而，如前所述，介电常数本身可能会随着形状和尺寸的变化而变化。因此，样品应在类似于真实环境的条件下进行测量。此外，如有必要，工程师需要考虑模拟实际使用环境或在减压下使用夹具进行测量的温度和湿度变化。

本节介绍使用VNA的四种方法、适用于每种方法的样品和测量条件（图3）。

图3 使用VNA测量介电常数

1） 测量橡胶和雷达吸波材料的探针法

第一种是基于无线电传播方法的“探针法”（图4），适用于测量半固体材料、液体和固体。介电常数可以通过简单地将探针与物体接触来测量。测量频率范围约为10 MHz至55 GHz，具体取决于探针的特性。损耗正切的测量范围为0.001至10，使该方法适用于广泛的测量对象。探针法也用于评估橡胶、混凝土和其他材料的老化情况。这种配置简单便携。这也可以带到现场进行现场测量。

2） 用于薄膜和高精度介电测量的法布里-珀罗/开放谐振腔法

“法布里-珀罗/开放谐振腔法”适用于高精度测量薄膜和样品各向异性（图5）。测量频率范围为20 MHz至170 GHz。对于损耗正切为0.0001至0.05的材料，可以进行高度精确的测量。

在开放谐振腔方法中，单个谐振腔可以覆盖毫米波雷达设备和用作测量目标的材料所使用的75.6、79和81 GHz的频率。此外，安立的VNA具有微指令自动控制机制，能够基于样品优化谐振频率，提高测量精度。

图5 法布里-珀罗谐振腔法测量系统

表3 法布里-珀罗谐振腔方法的特点

3）TM腔谐振腔法用于测量粉末、薄膜、板材、液体和需要减压的样品

“TM腔谐振腔法”适用于测量粉末、薄膜、板材和液体，也适用于减压环境（图6）。它也被称为“微扰法”。测量频率范围为200 MHz至10 GHz，覆盖的频率范围低于开放式谐振腔方法。与开放式谐振腔方法类似，这种方法可以处理介电损耗低至0.0001至0.05（低介电损耗）的材料。许多开发和生产电子设备中使用的印刷电路板粉末的制造商都使用这种方法。多重谐振不用于高精度测量。反而为每个测量频率提供一个夹具。

4）涂漆、多层结构、胶粘剂和液体的自由空间测量法

基于无线电传播方法的“自由空间法”适用于测量涂漆、多层结构、胶粘剂和液体。“自由空间法”包括适用于测量低介电损耗材料的“频率变化法”和适用于测量高介电损耗材料的“S参数法”。自由空间法夹具的天线配备有无线电波透镜，以抑制不必要的无线电波反射，从而允许在自由空间中进行测量，并消除了对消声室的需求。这种方法经常用于汽车相关设备的开发。

当用无线电波照射扁平样品时传输衰减的频率特性与样品的介电常数有特定的关系，频率变化法通过利用这个特性来测量介电常数。测量频率范围为5至330 GHz，相同的测量方法可以覆盖很宽的频率范围。这种方法可以应用于低损耗材料和多层结构，如覆盖毫米波雷达的标志和天线罩（保护雷达天线的圆顶状盖子）。此外，与S参数法相比，该方法具有简单的优点，可以通过零点校准进行简单的测量，并且其精度即使在含氟聚合物和合成钻石的情况下也可以进行测量。检查样品的各向异性也很容易。此外，由于样品可以用平面波测量，因此可以获得高测量精度，相对介电常数测量的重复性为±1%，损耗正切测量的重复性为±3%。

使用S参数法，用无线电波照射样品，并通过将穿过样品的量和反射量之间的差视为吸收来确定介电常数。测量频率范围为45 MHz至170 GHz。除了介电常数和介质损耗因子外，磁导率也可以用这种方法测量。在18至170 GHz的范围内，只需更改软件即可使用与频率变化法相同的夹具。请注意，应在测量前进行直通-反射-线（TRL）/线-反射-线（LRL）校准。测量精度有限，因为它没有考虑在没有传感器检测无线电波的方向上的反射。

  a)频率变化法

1.   b)S参数法
   

表6 自由空间法（S参数法）的特点

安立公司提供了一系列矢量网络分析仪（VNA），可以精确满足各种测量需求（图8），包括紧凑易用的单端口经济型和高输出功率的性能型，如Shockline™系列。安立公司还提供多功能高级型号的VectorStar™系列。

图8 安立公司矢量网络分析仪系列

1、用于探针法的VNA

在具有简单系统配置的探针法中，可以使用简单的夹具和PC将紧凑轻便的单端口VNA放到各个位置，以测量无法从现场移动的实际设备的介电常数。安立公司提供最高频率为6 GHz的MS46121B和最高频率8 GHz/20 GHz/43.5 GHz的MS46131A，作为单端口型号，以满足各种应用。

2、用于谐振腔法的VNA

使用开放式和TM腔谐振腔进行测量需要单独的输出和输入，这使得双端口VNA成为这些应用的理想选择。

对于涵盖相对高频范围内测量的开放式谐振腔方法，可以使用具有以下可测量频率范围的VNA。

• MS464×B：10 MHz至40/70 GHz

• ME7838A/D：70 kHz至110/125/145 GHz

对于覆盖相对低频率的TM腔谐振腔方法，可以使用以下VNA。

• MS46122B和MS46522B：1 MHz至8/20/43.5 GHz

3、用于自由空间法的VNA

在执行自由空间法时，也选择了2端口VNA。当应用自由空间法之一时，频率变化法是合适的，它可以用相同的方法覆盖很宽的频率范围。

• MS46522B 1 MHz至8.5/20/43.5 GHz

• ME7838A/D 70 kHz至110/125/145 GHz

除了5G的发展，还需要测量高达300 GHz频段的介电常数，通过用频率扩展模块替换ME7838´系列的毫米波模块，也可以处理这些极高频频段的应用。

对于E波段汽车雷达应用，MS46522B-08´可用于55至95 GHz之间的频率，ME7838A/D可用于上述宽频范围。

另一方面，对于高达43.5 GHz频率范围内的测量，只要具有2端口VNA，即使是相对合理的型号也可以使用。一个例子是MS46122B。如果待测样品具有较大的介电损耗，可以选择Shockline系列中的另一款高输出型号MS46522B。MS46522B其巧妙的设计使测量电缆能够轻松连接到夹具，而不需要麻烦的维护。

本文针对新的毫米波技术应用即5G和汽车雷达应用中产生的材料介电特性测量需求，介绍了测量介电常数的谐振腔法和无线电传播方法，据此重点提到了用VNA进行材料介电常数测量的4种方案，包括探针法、开放式谐振腔法、TM腔谐振腔法、自由空间法，最后介绍了安立公司针对这4种方案提供的VNA产品，对相关领域的设计、研发和测试工程师选择介电常数测量系统中的矢网具有很强的指导意义，供大家参考。

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