一．材料測試介紹

我們生活的世界都是由物質組成的，每一種物質都有其獨特的特性。而在電子設計以及測量領域，研究者或者工程師們更多地是關注每一種材料其獨特的電磁特性，也即物質與外加電場或磁場相互作用的介電特性或者介磁特性。很多時候，材料電磁特性的好壞，直接影響到成品或最終產品的性能高低，正所謂“巧婦難為無米之炊”。精確地測量材料性能，可以為研究者和工程師提供更有價值的信息，以便將材料正確地應用在預期的場景中，來實現更符合預期的設計，或者檢測制造工藝從而控制產品的質量等。材料的電磁特性測量可以對許多電子應用提供關鍵的設計參數信息。例如，電纜的損耗，基板的阻抗等。人們還發現，在航空航天，汽車電子，食品安全以及醫療行業的最新應用也得益于對材料電磁特性的準確了解。

所謂材料的電磁特性測量，主要包括介電材料和磁性材料的測試，常用的參數包括介電常數如’，”，損耗角正切tanδ ，磁導率如’ , ” 等。當然，大部分的測試都需要滿足一定的規范要求，目前流行的規范要求主要有IPC(主要針對電路板行業)的標準和ASTM（美國材料與試驗協會）的標準等。

圖1. 介電常數和磁導率的定義

如果一種材料在施加外部電場時能夠儲存能量，則該材料被歸類為“電介質”。而介電常數就是用來描述電介質與外加電場之間相互作用的物理參數。我們通常說的介電常數指的是相對介電常數，或者是絕對介電常數相對于自由空間介電常數之比，如圖1所示。介電常數是一個復數，實部’是衡量材料中儲存外部電場能量的表征；虛部”則是衡量材料對外部電場的耗散程度。而當用矢量圖來描繪復介電常數的時候，如圖2所示。介電常數與實軸’夾角的正切值就是我們經常提到的介質的損耗角正切或者耗散因子。我們通常說的Dk值就是復介電常數的實部’，Df則是指損耗角正切。

圖2. 損耗角正切定義

而磁性材料一般利用磁導率來衡量其與外加磁場相互作用的能力。同介電常數一樣，我們一般說的磁導率也是復數，指的是相對磁導率的大小。實部’表征材料和外加磁場之間作用時儲能的大小，虛部”表征耗能大小，如圖1所示。同樣磁性材料的損耗角正切的定義也是復磁導率虛部與實部之比。

材料的電磁特性測量對于各種工業的應用是非常重要的。是德科技可以提供用于材料介電特性，磁導率測量的全套解決方案，包括測試儀表、夾具及測量分析軟件。其中測試儀表根據頻率以及被測材料特性的不同，可以選擇阻抗分析儀或者網絡分析儀；同樣對于材料測試夾具，是德科技也提供多種不同的解決方案，包括同軸探頭、同軸/波導傳輸線，平行板法，諧振腔法等；而是德科技N1500A材料測試軟件則可以提供多種材料測試方法的軟件操作控制測量界面，極大地方便了以及豐富了客戶的不同需求。

二．材料測試方法概述

是德科技能夠提供多種材料測試整體方案，那么究竟要選擇哪種測試方案呢？則需要根據不同的需求來綜合考量。

在選擇測試方法時，需要考慮如下問題：

頻率范圍

測試參數

測試精度

材料特性（例如，是否均勻）

材料的形態（例如，液體，粉末，固體，片狀平面材料等）

樣品尺寸的限制

測試方法是否對材料產生破壞

測試方法是否接觸材料

測試溫度

成本

那么下面，就詳細列舉是德科技不同的材料測試方案。

三．是德科技材料測試方案

1. 平行板法

頻率范圍：20Hz~1GHz

測試參數：介電常數

參考精度：’: ，tanδ：

樣品要求：片狀樣品，厚度均勻已知；搭配夾具16452A可以測試液體。

當測試頻率小于1GHz的時候，平行板法不失為一種簡單，方便，性價比高的測試方案。平行板法，在ASTM標準D150中又被叫做三端法，需要將片狀被測材料夾在兩個電極中或者將液體材料注入到平行板容器中從而形成一個電容器，使用阻抗分析儀測得電容的大小進而計算出材料的介電常數以及損耗等參數，如圖3所示。

圖3. 平行板法測介電常數原理

平行板法完整的方案需要利用阻抗分析儀來測量阻抗值，利用材料測試軟件完成介電常數以及損耗等參數的計算和讀取，以及根據被測材料的不同特性來選擇測試夾具。是德科技能夠提供不同頻率覆蓋，不同被測材料特性的完整平行板法方案，詳述如下。

當測試頻率為20Hz~30MHz時，可以選用是德科技E4990A阻抗分析儀，以及平行板法測試夾具16451A，搭配N1500A材料測試軟件，就可以測試材料的介電常數等參數，如圖4所示。

圖4. 阻抗儀E4990A與16451B利用平行板法測介電材料

同樣搭配液體測試夾具16452A，則可以方便地測試液體的介電特性，如圖5所示。

圖5. 阻抗儀E4990A與16452A利用平行板法測液體介電特性

當測試頻率介于1MHz~1GHz時，則可以選擇是德科技E4991B阻抗分析儀，以及平行板法材料測試夾具16453A，同樣搭配N1500A材料測試軟件，可以測試片狀材料的介電常數等，如圖6所示。

圖6. 阻抗儀E4991B與16453A利用平行板法測片狀材料

是德科技提供完整的平行板法測試方案，下面給出一些具體的參考配置。

平行板法測試材料方案總結：

平行板法的優勢有適合平板材料，薄膜材料；整體方案價格經濟；精度較高；操作簡單等。但是該方法測試頻率最高只到1GHz，且不支持磁性材料的測試。

2.電感法：

l頻率范圍：1kHz~1GHz

l測試參數：磁導率

l 參考精度：: ，tanδ：

l樣品要求：磁環材料

磁性材料磁導率的測試可以利用電感法得出：在環形磁芯周圍纏繞一些導線，并測量得到導線兩端的電感量，從而得出相對磁導率。是德科技16454A正是利用這一原理，當將磁性材料（被測磁環）放入其中，16454A就形成了一個單匝電感，利用阻抗分析儀來測出其電感量以及電阻值等阻抗參數，最終可以計算出磁導率以及損耗角正切等參數值，如圖7所示。

圖7. 16454A 電感法測磁導率原理

是德科技電感法測試磁導率完整方案，包括阻抗分析儀，磁導率測試夾具16454A以及材料測試軟件N1500A。下面就列出不同頻率下不同的電感法測磁導率方案。

當測試頻率為1kHz~120MHz時，磁導率測試夾具16454A可以搭配是德科技E4990A阻抗分析儀，以及42942A 測試座和N1500A來完成磁導率的測試，如圖8所示。

圖8. E4990A搭配 16454A 進行磁導率測試

當測試頻率為1MHz~1GHz時，則磁導率測試夾具16454A可搭配是德科技更高頻率阻抗分析儀E4991B以及N1500A來進行磁導率的測試，如圖9所示。

圖9. E4991B搭配16454A進行磁導率測試

是德科技電感法測試磁導率兩種典型參考配置如下。

基于E4990A的低頻參考配置方案（1KHz-120MHz）

基于E4991B的參考配置方案（1MHz-1GHz）

電感法測試材料方案總結：

電感法的優勢有整體方案價格經濟；精度較高；操作簡單等。但該方法測試頻率不夠高，且僅支持磁性材料的測試。

3，同軸探頭法

頻率范圍：200MHz~50GHz（搭配網絡分析儀）；10MHz-3GHz（搭配阻抗儀）

測試參數：介電常數

參考精度：’: ，tanδ：

樣品要求：表面平整的固體，液體或者粉末材料；要求厚度>；不適合 ’太大以及tanδ太小的材料。

同軸探頭法可以測試表面光滑且厚度較高的片狀固體材料，液體材料，粉末材料等。該測試方法利用開路式的同軸探頭，測試時將探頭浸入到液體或者接觸光滑固體平面，高頻信號將入射在探頭與被測材料的接觸面，在這一界面上，高頻信號的反射特性S11 將會因為材料的介電常數而發生變化，如圖10所示。這時可以通過網絡分析儀測得S11，再計算出被測材料的介電常數與損耗角正切等參數。

圖10. 同軸探頭法測試原理

是德科技同軸探頭主要有如圖11所示的三種。分別是纖細探頭，適合液體和粉末測試；高性能探頭，適合厚度較高的固體以及液體測試；以及高溫探頭，能夠在–40°C至+200°C的范圍內測試被測材料的介電特性。其中的高溫探頭如果配合阻抗分析儀E4991B，低頻可以拓展到10MHz。

圖11. 是德科技同軸探頭分類

在200MHz~50GHz頻率范圍內，同軸探頭法測試系統包括同軸探頭，矢量網絡分析儀以及材料測試軟件，如圖12所示。

圖12. 同軸探頭法配合網絡儀測試液體材料介電特性

而在10MHz~3GHz的頻率范圍內，是德科技同軸探頭還可以搭配阻抗分析儀E4991B以及測試軟件來完成低頻的材料測試功能覆蓋。是德科技可以提供完整的同軸探頭法方案，參考配置如下。

同軸探頭法測試方案總結：

同軸探頭法的優勢有覆蓋頻率范圍寬；適合固體，液體，半固體材料的測試；易于使用，只需壓在固體材料表面或浸沒在液體中即可；對被測材料無破壞等。但該方法不適合‘ 太大以及tanδ太小的材料；并且對被測材料厚度有一定的要求，要求厚度>（單位mm）；固體材料要求表面要足夠平整光滑；測試精度有限且不能測試磁性材料。

4. 傳輸線法

頻率范圍：100MHz~110GHz

測試參數：介電常數，磁導率

參考精度：’: ，tanδ：

樣品要求：可以進行機械加工尺寸形狀的樣品 (環狀或者矩形塊狀)；表面光滑，并且兩個端面與傳輸線的軸線垂直；樣品長度和測試頻率相關。

傳輸線法是將被測材料置于封閉傳輸線中，傳輸線可以是同軸傳輸線或者矩形波導。通過利用網絡分析儀測試高頻信號激勵下傳輸線的反射特性S11和傳輸特性S21，從而得到材料的介電常數以及磁導率等結果，如圖13所示。

圖13. 傳輸線法測試介電常數和磁導率原理

同軸傳輸線可以覆蓋18GHz以下的比較寬的頻率范圍，但是環狀樣品制作相對困難；波導傳輸線可以將測試頻率延伸至毫米波波段，且矩形樣品比較容易加工，但是由于波導傳輸線本身的頻率覆蓋都是分段的，所以利用波導傳輸線測試材料的頻率覆蓋也都是分段的。同軸傳輸線，波導傳輸線以及樣品加工形狀的實物圖如圖14所示。

圖14. 傳輸線實物圖

傳輸線法測試材料總體需要傳輸線夾具，矢量網絡分析儀以及材料測試軟件。是德科技能夠提供完整的傳輸線法測試方案，參考配置如下。

傳輸線法測材料總結：

傳輸線法的優勢有覆蓋頻率范圍寬；夾具相對簡單且可以有多種傳輸線可選；可以測試介電材料和磁性材料。但該方法需要材料能夠被機械加工成需要的尺寸，且材料尺寸的加工精度直接影響測試結果；并且不適合低損耗材料，液體材料以及薄膜材料等的測試；波導傳輸線的測試結果只能覆蓋一段頻率范圍等。

5. 自由空間法

頻率范圍：5GHz~330GHz

測試參數：介電常數，磁導率

參考精度：’: ，tanδ：

樣品要求：扁平狀樣品，通常低頻時需要大尺寸平面，平坦，均勻，厚度已知

自由空間法利用天線將微波能量聚集或者穿過被測材料，這種測試方法將被測材料置于天線之間，通過測量傳輸S21或者反射S11的高頻信號得到材料的介電常數和磁導率，如圖15所示。

圖15. 自由空間法測試示意圖

自由空間法測量需要精確測量高頻信號通過樣品的反射以及傳輸特性，但是樣品邊緣的反射以及天線之間的多次剩余反射都會影響測量的精度，所以校準網絡分析儀在自由空間法測試材料中是一項有挑戰性的工作。一般可以采用TRL(直通,反射以及傳輸線)的校準方式。是德科技N1500A提供的 GRL(時間門,反射以及傳輸線)校準方式，將測試端口校準到自由空間平板校準件的端面處，然后再得到被測件的準確 S 參數，從而得到材料的電磁特性。

自由空間法是一種非接觸測量方法，因此也非常適合需要在高溫環境下進行的材料測量。通常可以將待測材料放置在一個帶有“窗口”的隔熱材料箱中，被測材料在箱中可以被加熱，而隔熱材料對于微波信號來說是“透明的”。這樣就可以得到不同溫度下的材料特性，如圖16所示。

圖16. 自由空間法高溫測試示例

是德科技典型的自由空間法測試方案配置舉例如下。

自由空間法測試材料總結：

自由空間法測試材料是一種非接觸式的，對材料非破壞；適合于高溫測試；可以測量介電材料和磁性材料等；但是該方法也有一些局限性，比如整個測試系統需要特制校準件以及GRL等校準方法來進行校準；被測樣品與天線的距離需要精確控制；不能測試低損耗材料等。

6. 諧振腔法

頻率范圍：不同的諧振腔測試頻率不同。總的來說可以覆蓋1.1G~80GHz之間的標志性頻點（一個諧振腔對應一個頻點）；多頻點諧振腔可以覆蓋10G~110GHz頻率范圍。

測試參數：介電常數

參考精度：依賴所選諧振腔，比如SPDR精度：’:±(0.0015 + Δh/h)；tanδ：2*10-5。

樣品要求：片狀，且厚度均勻已知

一般對于PCB基板的測試，多采用諧振腔法，因為諧振腔法可以提供非常高的損耗正切測量精度，所以特別適合印刷電路板以及高分子材料的測試等。傳統的諧振腔法大多都是單點頻的測試。

這種測試方法利用諧振腔在加入被測材料前后的諧振頻率變化以及品質因數的變化來得到材料的介電常數等參數。大部分的諧振腔測試都是遵循美國材料測試協會的標準ASTM D2520 腔體微擾法進行測量的。腔體微擾法在測量過程中，首先測量空腔的中心頻率以及品質因數,然后插入樣品后再次測量加載樣品后的中心頻率以及有載品質因數。再通過如下公式，計算出介電常數和損耗。其中為空腔體積，為樣品體積。

圖17. 諧振腔法原理示意圖

是德科技提供完整的諧振腔法測試系統，主要包括網絡分析儀，測試軟件以及諧振腔夾具。是德科技多平臺網絡分析儀都支持諧振腔法測材料，包括PNA，ENA，PXIe VNA以及USBVNA等；是德科技N1500A材料測試軟件支持多種諧振腔夾具；是德科技同時提供多種高Q值的諧振腔夾具，例如分離介質諧振腔（SPDR），分裂圓柱諧振腔（SCCR）以及平衡圓柱諧振腔（BCDR）等，供不同需求的客戶進行選擇。

SPDR（Split Post Dielectric Resonator）利用低損耗介質材料，相較于傳統的金屬腔體擁有更高的Q值以及更好的溫度穩定性。是德科技可以直接提供頻率為1.1GHz，2.5GHz，5GHz，10GHz以及15GHz的SPDR諧振腔夾具，如圖18所示。SPDR相對成本較低，而且對材料基片的物理尺寸只要滿足下圖要求即可。圖18是一個典型的SPDR測試的場景以及不同諧振腔對于測試材料的尺寸要求。

圖18. SPDR諧振腔測試方法

SCCR（Split Cylinder resonator）是將一個圓柱形諧振腔從中間一分為二，測試時將被測樣品插入兩個半圓柱腔中間的間隙中，當插入樣品后，諧振腔的S21測試曲線的諧振峰頻率會左移，而Q值會降低，則通過計算就可以得到被測樣品的介電常數以及損耗值等參數。SCCR的測試方法是遵循IPC測試標準TM-650 2.5.5.13。典型的SCCR測試場景如圖19所示。

圖19. SCCR諧振腔測試方法

SCCR諧振腔可以提供比SPDR更高的頻率覆蓋，當然也是單頻點的測試方案，是德科技能夠提供的解決方案中SCCR諧振腔最高可以覆蓋80GHz，如圖20所示。

圖20. SCCR諧振腔頻率選擇

對于樣品尺寸的要求，10GHz的SCCR諧振腔要求樣品推薦大小為62mm x 75mm，其他頻率的SCCR推薦樣品大小34mm x 45mm。而樣品的最大厚度要求則根據被測材料的介電常數以及測試頻率有所不同。對于損耗小于0.01的材料厚度要求可以參考圖21。

圖21. SCCR諧振腔測試對樣品厚度的要求

此外，近年來，材料測試的頻率覆蓋越來越高，并且對于多頻點低損耗材料測試的需求日益旺盛。所以是德科技除了提供單頻點諧振腔外，還能提供同時覆蓋多頻點測試的諧振腔BCDR（Balanced type Circular Disk Resonator），可以覆蓋10GHz到110GHz的多頻點測試。BCDR利用的基模和高次模（m=1，2，3……）可以同時進行多頻點的測試。在該方法的測試中，BCDR必須通過同軸電纜在圓盤的正中心激發出的基模以及高次模，從而完成多頻點的測試。而測試原理也是通過得到有被測樣品時和空腔時的模（m=1，2，3……）的諧振頻率偏移來最終得到介電特性結果的，模的諧振頻率與被測材料的介電常數以及所用圓盤電極的尺寸大小有關。BCDR實測圖如圖22所示。相較于SCCR以及SPDR， BCDR的電場方向是垂直于被測材料表面的，也即是平行于厚度方向，這在毫米波的諧振腔中是比較獨特的。并且由于BCDR的頻率覆蓋比較高，所以推薦67GHz的PNA或者110G的N5290A搭配使用。

圖22. BCDR多頻點測試系統

BCDR的典型參數以及對于被測樣品的要求如下圖所示。

圖23. BCDR典型參數以及對測試樣品尺寸要求

是德科技完整的諧振腔測試方案包括毫米波網絡分析儀，材料測試軟件N1500A以及諧振腔夾具。下面給出SPDR，SCCR以及BCDR的典型參考配置。

諧振腔法測試材料方案總結：

諧振腔法的優勢有測試精度高；非常適合低損耗材料測試；并且對材料樣品尺寸加工要求不高。而該方法由于選擇的諧振腔不同，對應地只能完成單頻點或者有限的多頻點測試。

四． 一些新的測試方案

在材料測試領域，由于材料測試方法多種多樣，并且被測材料的形狀也是千差萬別，所以很多時候，夾具的適配度是一個重要的考量。是德科技除了以上方案，還聯合了SolutionPartner，為客戶提供更多樣化的材料測試整體方案。

1. Swissto12 MCK

Swissto12提供的MCK（MaterialCharacterization Kit），為測試頻率大于25GHz的材料提供了一種更方便操作，覆蓋頻率更寬，材料樣品制樣更容易的一種選擇。MCK測試示意圖如圖24所示，頻率選件如圖25所示。

圖24. Swissto12 MCK測試示意圖

圖25. Swissto12 MCK覆蓋的測試頻段

Swissto12 MCK是由兩個完全一樣的波紋圓錐喇叭波導天線組成的，并且樣品放置在MCK設計好的波導端面，使得其所在的位置正好是被激勵出的圓錐波紋喇叭主模模的平面波前。所以MCK有時候也被叫做“引導式的自由空間法”。相較于傳統的自由空間法，由于其被測材料位置固定，所以操作起來更加簡單，且可重復性更好。典型測試精度如圖26所示。而且除了平板固體材料以外，還可以測試液體，粉末，薄膜或者多層材料等（測試薄膜多層材料需要額外的軟件）。

圖26. Swissto12 MCK 測試典型精度

是德科技搭配Swissto12 MCK的完整材料測試方案，典型參考配置如下。

2.FS-330

EM Labs提供的FS-330測試夾具，可以更容易地完成最高達330GHz的自由空間法的材料測試。傳統的自由空間法測試，由于對收發天線高度一致性的要求，以及被測材料放置位置的要求，所以往往都需要搭配準光學平臺等附件來完成精確的材料測試。而FS-330測試夾具套件自身就擁有精確的天線位置以及樣品位置機械結構，從而能夠使得自由空間法的操作更加簡便，測試結果更加精確。FS-330測試套件擁有兩個透鏡喇叭天線，可以減小樣品與天線之間的距離，從而使得整個測試夾具擁有更小的尺寸；并且采用旁瓣更低的喇叭天線，從而使得測試的可重復性更高，并且舍去了對于吸波暗室的需求，極大地縮減了測試成本。搭配是德科技的網絡分析儀以及測試軟件N1500A，可以完成介電常數以及磁導率的測試等；此外FS-330通過選擇不同選件，還可以完成斜入射的測試，從而得到反射率等的測試結果。FS-330測試套件如圖27所示。

圖27. FS-330 測試套件

FS-330測試套件可以分段覆蓋18GHz~330GHz的頻率范圍，如圖28所示。FS-330的喇叭天線接口擁有兩種配置，同軸接口配置（圖28上半部分）和波導接口配置（圖28下半部分）。

圖28. FS-330 頻率選件

FS-330對于樣品的要求，也需要被測樣品為平面片狀結構，并且厚度要精確已知，不同頻段的天線，需要的最小尺寸也不同，列于圖29所示。樣品的厚度建議利用N1500A

Sample Thickness Suggestion的建議來選擇。

圖29. FS-330不同頻段的樣品尺寸要求

是德科技可以推出搭配FS-330的完整材料測試方案，典型參考配置如下。

3. 使用ADS提取PCB的介電常數（Dk）和介質損耗角（Df）

與前面測量材料參數采用的方法不一樣，ADS提取PCB材料的Dk和Df采用的是傳輸線法，所以這種方法測試的并不是測試的裸材料，但是對于PCB而言，這是相對最接近實際的材料最終特性。

Dk和Df是材料的基本上屬性參數，它們會隨著頻率的變化而變化。高速數字電路和高頻電路都是在一定帶寬內工作的，所以在使用PCB時也需要考慮到材料參數的頻變性。因此，在仿真電路的時候就需要頻變的材料參數模型。

ADS采用了Svensson/Djordjevic模型，其復介電常數表達式為：

其中，fL和fH是模型參數，定義為：

是當頻率趨于無窮大時的介電常數，a是個固定的系數。

ADS將通過給定頻點的Dk，Df以及設定的fL和fH計算出和a，從通過公式計算得到任意頻點的電常數。典型的頻變Dk，Df曲線如下：

圖30. 左圖為Dk的實部，右圖實線為Dk的虛部，虛線為Df

該模型可以保證傳輸線的仿真結果滿足因果性（causality），這對于高速電路設計來說是非常關鍵的。

在使用ADS傳輸線法提取PCB材料參數時，首先需要設計并生產一塊PCB板，設計出相應的傳輸線類型，再使用網絡分析儀和 AFR軟件獲得準確的傳輸線S參數，再在ADS中通過擬合獲取PCB材料的參數。使用ADS提取PCB材料參數的流程如圖31所示：

圖31.ADS提取PCB材料參數

圖32所示為通過ADS提取的Dk和Df，其Dk隨著頻率的升高變小，Df隨著頻率的升高變大：

圖32.Dk和Df的頻變參數

如圖33所示為使用提取的Dk和Df仿真的插入損耗和相位與實測結果的對比，結果非常吻合，如下圖所示。

圖33.Dk和Df的結果對比

在實際的材料參數提取時，可以考慮銅箔的粗糙度，也可以不考慮銅箔的粗糙度，具體根據實際的應用選擇。這類方式提取PCB材料參數的頻率可以達到50GHz及以上。

五．總結

是德科技提供多種多樣的材料測試整體解決方案，包括測試儀表，夾具以及軟件，可以覆蓋固體，液體，粉末，薄膜材料，磁環等的測試需求，如圖34所示。

圖34.是德科技材料測試方案

審核編輯：劉清