介電常數測量的微帶短路線(xiàn)法及實(shí)現

　　闡述了用微帶短路線(xiàn)法，通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀量測短路微帶線(xiàn)的反射系數，進(jìn)行印刷電路板板材相對介電常數計算的方法。在給定的板材尺寸參數及材料特性下，通過(guò)ADS軟體中進(jìn)行的理論分析以及ANSOFT公司HFSS軟體中進(jìn)行的三維建模仿真分析，計算得出了不同頻率點(diǎn)對應的相對介電常數值。同時(shí)分析了方案的誤差對于阻抗設計的影響，進(jìn)而驗證了測量方案的可行性�？紤]到板材介質(zhì)的高頻衰減，測量方法適用范圍從100MHz～5GHz。

　　1950年Barrett R和Cohn S提出的Stripline和1960年ITT Laboratories提出的Microstrip Line奠定了現代PCB工藝和發(fā)展的基礎，50年時(shí)間PCB板的設計已經(jīng)由最初的單雙面板發(fā)展到現今的幾十層的巨型計算機功能板，從最初的通孔工藝發(fā)展到現今的埋盲孔的HDI工藝，工作信號頻率從最初的K級發(fā)展到現在的G級，可以說(shuō)傳輸線(xiàn)理論的具體應用達到了一個(gè)相當高的境界。近年來(lái)手機、個(gè)人移動(dòng)通信需求的蓬勃發(fā)展，尋求更高效能及更高頻率的印刷電路板(PCB板)已經(jīng)成為了一個(gè)重要的課題。

　　市場(chǎng)上產(chǎn)品競爭的趨勢總是要以更加低廉的價(jià)格提供給消費者更好的產(chǎn)品，所以許多公司在追逐更高速、更微型的產(chǎn)品的過(guò)程中，為了提供自身產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率、降低產(chǎn)品的價(jià)格，將目光更多的投到了FR4上。FR4是目前印刷電路板工藝中最常選用的介質(zhì)材料，它不僅價(jià)格便宜，而且更加具有良好的加工特性，可以使用在1MHz至1GHz乃至3GHz以上范圍的電子產(chǎn)品中。但是有個(gè)問(wèn)題，印刷電路板的介質(zhì)材料特性會(huì )因為制作程序以及制作環(huán)境的不同而發(fā)生改變。特別的是，電路板的介質(zhì)材料的特性表現對于高頻或是高速電路的特性影響很大，其中以介電常數εr對電路的功能和性能影響最大。介電常數會(huì )影響電路的特性阻抗和信號傳輸的相位速度，但是目前矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀只能測量出印刷電路板的S參數，并不提供一鍵算出介質(zhì)介電常數的功能。所以提出一個(gè)簡(jiǎn)便快速的得到介電常數εr的方法對于高速PCB設計人員以及板廠(chǎng)工程人員都具有非常重要的意義。

　　該文首先在A(yíng)gilent ADS軟件中通過(guò)對短路微帶線(xiàn)的理論仿真驗證了短路線(xiàn)量測方法的可行性及其在實(shí)際量測中的問(wèn)題;隨后在A(yíng)nsoft的HFSS中進(jìn)行了50Ω阻抗同軸連接器和10cm長(cháng)度的50Ω短路微帶線(xiàn)的三維模型建立，通過(guò)對該三維模型的仿真我們可以更加實(shí)際的了解這種方法，討論這種方法得到的相對介電常數量測誤差對于阻抗控制精度的影響。本論文設計的量測環(huán)境為1.0mm厚度的FR4基板，銅箔厚度為0.5oz，50Ω同軸連接器及50Ω微帶線(xiàn)的參數都可以在A(yíng)gilent ADS中用Linecal得到。

2、短路微帶線(xiàn)理論及其在A(yíng)gilent ADS中的驗證

　　傳輸線(xiàn)模型如圖1所示。

圖1　傳輸線(xiàn)模型

結論

　　本文從Agilent ADS中對微帶線(xiàn)短路發(fā)的討論出發(fā)，通過(guò)在三維仿真工具Ansoft HFSS中的實(shí)際建模和量測說(shuō)明了本方法的可行性。最后討論了微帶線(xiàn)短路法對于阻抗控制精度的影響。一定要注意，試驗中必須要考慮端口連接器對于實(shí)際量測的影響，否則結果會(huì )出現重大偏差。