确定电路材料的Dk（介电常数，εr）和Df（损耗因数，Tanδ）的测试方法多种多样，比如IPC有12种确定材料Dk的测试方法，行业组织、大学或企业也有各自的测试方法。我撰写的关于微波材料特性的书籍中介绍了80多种评估电路材料Dk和Df的测试方法。没有一种测试方法是完美的，工程师应该采用最能模拟其产品终端使用环境的测试方法。本文将概述测试方法理念，介绍确定Dk和Df的常用测试方法。
测试方法基本理念
测试高频电路材料的方法分为材料测试方法和电路测试方法两大类。材料测试方法通常使用夹具来评估介质原材料，不评估电路制造变量。电路测试方法利用载体，根据电路性能提取Dk（有时也提取Df）。由于材料测试方法的精度取决于夹具变化，电路测试方法取决于电路制造变化，因此，通过这两种不同类型测试方法得到的Dk/Df值不可能相同。
同时，测试方法将根据电场朝向提取被评估材料相关的Dk/Df值。有些测试方法测试Z轴（厚度轴），而有些测试方法则评估材料的X-Y平面。PCB行业中使用的大多数电路材料都是各向异性的，在每个轴上的Dk都是不同的。因此，使用两种不同的测试方法测试同一块材料，可能获得不同的Dk值，并且这两个值都是正确的。如果材料是各向异性的，在测试相同材料时，使用评估材料的Z轴和评估X-Y平面的两种不同测试方法，会测得不同的Dk值。
测试时，其他考虑因素包括材料色散、铜表面粗糙度以及共振或透射/反射技术的使用。所有材料都有色散，这意味着Dk将随频率的变化而变化。因此，如果对同一材料使用相同的测试方法，但测试频率不同，Dk值会存在差异。总的说来，随着频率的增加，Dk值将略微减小。
无论材料Dk值大小，铜表面粗糙度会减慢波传播。Dk值较高时，波传播较慢。一些测试方法对铜表面粗糙度敏感，而有些测试方法则不敏感。
最后，人们普遍认为，使用共振的测试方法通常比使用透射/反射的测试方法更精确。谐振器测试方法通常更精确，但通常在离散频率或多倍离散频率下给出Dk结果。许多透射/反射技术将在宽频带上给出Dk结果与频率的对比。
PCB行业常用测试方法
符合IPC-TM-650 2.5.5.5c测试方法要求的X波段夹持带线谐振器测试层压板制作完成后，蚀刻去除铜，原材料样品被放入夹持夹具中。夹具在中间有非常薄的谐振器电路图像及谐振器两侧的接地面，待测试材料（material under test ，简称MUT）置于谐振器和接地面之间。当夹紧在一起时，夹具具有作为接地-信号-接地的带状线RF结构；该测试方法的夹紧结构是接地-MUT-信号-MUT-接地。本测试方法可评估材料Z轴的Dk和Df。可以2.5 GHz增量使用该测试方法，最高可达约12.5 GHz。通常，该测试方法用于10 GHz下，是相对精确的测试方法。
该测试方法的缺点之一是，由于夹持夹具有截留空气（空气的Dk值约为1）的问题，测得的Dk值有时会低于材料的Dk。该测试方法的另一个潜在问题是，当测试具有高各向异性的材料（在所有3个轴上的Dk都大不相同）时，共振峰可能会发生改变，从而会降低Dk提取的准确性。通常无需担心，除非某些材料具有较高的标称Dk值，例如Dk大于6。总的来说，对于大批量电路材料制造商来说，这是一种极好的测试方法，可用于确保其材料的Dk/Df性能一致。
符合IPC-TM-650 2.5.5.13测试方法要求的分体圆柱形谐振器测试该测试方法为圆柱形谐振器，顾名思义，它是分体式的，可以打开和关闭。层压板制作完成后，蚀刻去除所有的铜，将MUT放在分体式圆柱形谐振器之间，并将其关闭。谐振器将有几个不同的共振峰，供用户选择以评估Dk和Df。这些不同的共振峰处于不同的频率下。该测试方法将评估材料的X-Y平面，而不是Z轴。该测试方法也可以与夹持带状线测试方法（Z轴法）在相同频率下运行，所以，用这两种测试方法评估相同材料时，数据对比将给出有关MUT Dk各向异性的信息。此外，如果材料是各向异性的，则在使用夹持带状线测试评估相同材料时，分体圆柱形测试中可获得不同的Dk值。
微带环形谐振器测试方法这是一种电路测试方法，环形谐振器电路模式建立在待评估材料上的测试载体。环形谐振器通常具有开口的50 Ω传输线（馈线），将射频能带到环形电路图形的两侧（环形图形看起来像一个非常窄的圆环）。两条馈线和环形结构之间的间隙非常关键，间隙区域的变化可能导致Dk提取不准确。
此外，如果环形电路结构镀有较厚的铜，对比另一个构建在完全相同材料上但镀铜层较薄的环形谐振器，较厚的镀铜电路其间隙区域将在空气中具有更多的场，并且谐振峰将偏移。由于铜镀层的不同，提取的Dk值将不同，仅评估材料的Dk值是不准确的。间隙和镀铜厚度的变化是正常的电路变量；电路测试将包括这一点，但大多数材料测试不包括这一点。镀铜厚度在PCB制造过程中具有自然变化，并且当使用环形谐振器时，该厚度差异可能导致不准确的Dk结果。假设工程师了解铜厚度问题，了解它对提取过程的影响，就可以找到正确的Dk。
此外，该测试方法会受铜表面粗糙度的影响，而前两种测试方法不受粗糙度影响。环形谐振器可评估材料的Z轴Dk。
设计工程师在比较数据表中的Dk和Df值时，了解测试方法之间的差异非常重要。理想情况下，最好使用相同的测试方法和相同的频率比较Dk数据，当这种要求不可行时，采用不同的测试方法就要以大致相同的频率测得Z轴Dk。
当比较材料数据表或调查材料特性用于新设计时，咨询材料制造商以了解数据表中关键数据的获得方式很重要。
更多内容可点击这里查看，文章发表于《PCB007中国线上杂志》12月号，更多精彩原创内容，欢迎关注“PCB007中文线上杂志”公众号。
