[发明专利]基于波导多谐基片集成振腔法的介质基片测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明介质基片特性测量领域，特别涉及介质基片材料的介电常数和损耗特性的测量，具体为基于波导多谐基片集成振腔法的介质基片测量装置及方法。

背景技术

印刷电路板技术已经广泛用于各个领域，其中介质材料的特性是衡量电路板微波特性的重要指标，包括介电常数和损耗。准确了解介质基片的这两个特性，对于介质材料在微波频段的各类应用是必不可少的。

介质介电常数和损耗的测试技术经过近几十年的发展，已经形成了一套比较完整的测试体系。目前，在微波毫米波频段，测试方法通常有两种：传输法和谐振腔法。传输法可以在很宽的一个频带内测试介质的介电常数和损耗，但测试结果受测试原理的影响，精度有限。谐振腔法克服了传输法的不足，可以精确测量出介质的介电常数和损耗，但是每次仅可以测一个频点，想要测出宽带介质特性，需要测试多次，大大增加了测试成本和时间。

在多种谐振腔法中，将谐振腔直接制作于基片上的测试方法具有加工易、成本低的优势，但传统微带谐振腔等技术在毫米波频段辐射泄漏较强，测试精度下降。基于基片集成波导技术的谐振腔测试法具有极低的辐射损耗和较高的品质因数，可以在毫米波频段获得更高的测试精度。

文献“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)中公开方法在V波段和W波段用基片集成波导矩形谐振腔实现对介质基片特性的测试，测试结果准确有效。但是，该方法局限在单频点的测试，无法实现宽频带的快速测试。

发明内容

本发明的目的在于为了克服传统谐振腔法一次只能测试单个频点的问题，本发明提供基于波导多谐基片集成振腔法的介质基片测量装置及方法，采用多个基片集成波导谐振腔串联的方式，通过单次测试完成对宽频带介质特性的测量；该方法简单，成本低，测试准确可靠，非常适用于毫米波频段基片介质特性的测试。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

基于波导多谐基片集成振腔法的介质基片测量装置，包括标准W频段金属馈电波导和N个谐振腔；其特征在于，所述N个谐振腔形状为正方形，从左往右呈“一”字排列、其谐振频率按照固定频率间隔依次递减。

所述N个谐振腔中每个谐振腔从上往下依次包括上金属覆铜层23、介质层22、下金属覆铜层21，以及贯穿上金属覆铜层23、介质层22和下金属覆铜层21的金属化孔24，所述W频段标准金属馈电波导包括左侧的末端金属挡板13、右侧的馈电端口14以及底层金属壁，W频段标准金属馈电波导与谐振腔共用下金属覆铜层21，下金属覆铜层21上对应于N个谐振腔开设有N个耦合缝，标准W频段金属馈电波导通过耦合缝与谐振腔连接。

所述N个耦合缝隙的长度取决于其对应谐振腔的谐振波长，宽度为0.2mm-0.3mm，耦合缝隙与W频段标准金属馈电波末端金属挡板13的距离为λ为其对应谐振腔的谐振频率的波导波长。

本发明中，N个谐振腔从左到右其谐振频率递减，对应其谐振腔尺寸大小也为递减，设计尺寸的初值可以根据HFSS本征模式仿真确定。

从工作原理上讲，本发明采用多个基片集成波导矩形谐振腔，其工作模式均为TE₁₁₀模。由于采用多个谐振腔串联的形式，测试中应该使用多腔福斯特模型公式对第i个谐振腔的无载谐振频率f_110,i进行修正，公式中的i代表第i个谐振腔的标号：

其中Q_e,i是第i个谐振腔的外部品质因数，f_L,i是第i个谐振腔的有载谐振频率，可以从测试的S参数曲线得到，A_i代表第i个耦合的电抗特性，可以从测试的史密斯圆图中得到。Q_e,i可以下面的公式(2)中计算得出：

其中Q_L,i为第i个腔的有载品质因数，可以从S参数曲线中算出，Q_u,i为第i个谐振腔的无载的品质因数，可以从下面的公式中得到：

Q_u,i＝Q_L,i(1+β_i) (3)