[發明專利]基于波導多諧基片集成振腔法的介質基片測量裝置及方法

有效

• 申請號: 201510268077.1
• 申請日: 2015-05-25
• 公開（公告）號: CN104865449B
• 公開（公告）日: 2017-08-25
• 發明（設計）人: 程鈺間;劉小亮;吳杰;薛飛
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01R27/26
• 分類號: G01R27/26
• 代理公司: 電子科技大學專利中心51203
• 代理人: 李明光

技術領域

本發明介質基片特性測量領域，特別涉及介質基片材料的介電常數和損耗特性的測量，具體為基于波導多諧基片集成振腔法的介質基片測量裝置及方法。

背景技術

印刷電路板技術已經廣泛用于各個領域，其中介質材料的特性是衡量電路板微波特性的重要指標，包括介電常數和損耗。準確了解介質基片的這兩個特性，對于介質材料在微波頻段的各類應用是必不可少的。

介質介電常數和損耗的測試技術經過近幾十年的發展，已經形成了一套比較完整的測試體系。目前，在微波毫米波頻段，測試方法通常有兩種：傳輸法和諧振腔法。傳輸法可以在很寬的一個頻帶內測試介質的介電常數和損耗，但測試結果受測試原理的影響，精度有限。諧振腔法克服了傳輸法的不足，可以精確測量出介質的介電常數和損耗，但是每次僅可以測一個頻點，想要測出寬帶介質特性，需要測試多次，大大增加了測試成本和時間。

在多種諧振腔法中，將諧振腔直接制作于基片上的測試方法具有加工易、成本低的優勢，但傳統微帶諧振腔等技術在毫米波頻段輻射泄漏較強，測試精度下降。基于基片集成波導技術的諧振腔測試法具有極低的輻射損耗和較高的品質因數，可以在毫米波頻段獲得更高的測試精度。

文獻“Millimeter-wave printed circuit board characterization using substrate integrated waveguide resonators,”(D.E.Zelenchuk,V.Fusco,G.Goussetis,A.Mendez,and D.Linton,IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,vol.60,no.10,pp.3300–3308,Oct.2012)中公開方法在V波段和W波段用基片集成波導矩形諧振腔實現對介質基片特性的測試，測試結果準確有效。但是，該方法局限在單頻點的測試，無法實現寬頻帶的快速測試。

發明內容

本發明的目的在于為了克服傳統諧振腔法一次只能測試單個頻點的問題，本發明提供基于波導多諧基片集成振腔法的介質基片測量裝置及方法，采用多個基片集成波導諧振腔串聯的方式，通過單次測試完成對寬頻帶介質特性的測量；該方法簡單，成本低，測試準確可靠，非常適用于毫米波頻段基片介質特性的測試。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

基于波導多諧基片集成振腔法的介質基片測量裝置，包括標準W頻段金屬饋電波導和N個諧振腔；其特征在于，所述N個諧振腔形狀為正方形，從左往右呈“一”字排列、其諧振頻率按照固定頻率間隔依次遞減。

所述N個諧振腔中每個諧振腔從上往下依次包括上金屬覆銅層23、介質層22、下金屬覆銅層21，以及貫穿上金屬覆銅層23、介質層22和下金屬覆銅層21的金屬化孔24，所述W頻段標準金屬饋電波導包括左側的末端金屬擋板13、右側的饋電端口14以及底層金屬壁，W頻段標準金屬饋電波導與諧振腔共用下金屬覆銅層21，下金屬覆銅層21上對應于N個諧振腔開設有N個耦合縫，標準W頻段金屬饋電波導通過耦合縫與諧振腔連接。

所述N個耦合縫隙的長度取決于其對應諧振腔的諧振波長，寬度為0.2mm-0.3mm，耦合縫隙與W頻段標準金屬饋電波末端金屬擋板13的距離為λ為其對應諧振腔的諧振頻率的波導波長。

本發明中，N個諧振腔從左到右其諧振頻率遞減，對應其諧振腔尺寸大小也為遞減，設計尺寸的初值可以根據HFSS本征模式仿真確定。

從工作原理上講，本發明采用多個基片集成波導矩形諧振腔，其工作模式均為TE₁₁₀模。由于采用多個諧振腔串聯的形式，測試中應該使用多腔福斯特模型公式對第i個諧振腔的無載諧振頻率f_110,i進行修正，公式中的i代表第i個諧振腔的標號：

其中Q_e,i是第i個諧振腔的外部品質因數，f_L,i是第i個諧振腔的有載諧振頻率，可以從測試的S參數曲線得到，A_i代表第i個耦合的電抗特性，可以從測試的史密斯圓圖中得到。Q_e,i可以下面的公式(2)中計算得出：

其中Q_L,i為第i個腔的有載品質因數，可以從S參數曲線中算出，Q_u,i為第i個諧振腔的無載的品質因數，可以從下面的公式中得到：

Q_u,i＝Q_L,i(1+β_i) (3)