Про контроль диэлектрической постоянной СВЧ подложек для плат. Мой опыт

Перед введением

На написание этой статьи меня натолкнул один комментарий под моей прошлой статьёй, человек спрашивал, как я могу быть уверена, что на заводе мне изготовят платы из нужного материала.

Вторым фактором послужило то, что я пересматривала свои старые рабочие фотографии и нашла одну из офиса Keysight Technologies (производители измерительного оборудования)

В статье описан мой опыт; я упомянула, что методов измерения параметров материалов много, разновидностей тест-купонов тоже множество.

Введение

Я разработчик СВЧ устройств. Если открыть учебник физики, читатель узнает, что существует несколько типов линий передач, где может распространяться электромагнитная волна. И хотя волноводная техника всё ещё незаменима в мм диапазоне, для применений от, скажем, 1 до 30 ГГц в основном используются печатные линии. Иными словами СВЧ устройства сделаны на основе печатных плат. Для СВЧ печатных плат необходимы специальные подложки (про выбор подложки я писала ранее).

В отличие от цифровой, в аналоговой схемотехнике используется множество распределённых элементов - короткие отрезки микрополосков, эквивалентные параллельной ёмкости, длинные спирали и закороченные отрезки, эквивалентные индуктивности, и т.д. Почти вся аналоговая схемотехника построена на четвертьволновых отрезках, с помощью них может быть реализована развязка для питания, это основной элемент трансформатора и, например, делителя Вилкинсона.

Длина волны в материале обратно пропорциональна корню из диэл. проницаемости, следовательно при отклонении диэл. проницаемости от значения по паспорту, которое использовалось при расчётах, все характеристики "уедут" по частоте.

Например, делитель Вилкинсона на рабочей частоте должен иметь минимум КСВ и минимум модуля коэф. передачи между выходами. При изменении эпсилон подложки, четверти будут действительны для другой частоты, минимум КСВ будет на другой частоте.

Опыт измерения диэлектрической проницаемости материала

Я писала статью про свой опыт заказа СВЧ плат в России. Ведь у меня пока что не было опыта заказа плат в других странах. Я знаю, что многие не-СВЧ разработчики заказывают платы в Китае (об этом свидетельствует множество ответов на мой вопрос подписчикам "где вы заказываете платы?" Кстати, все ответы я свела в таблицу, опубликованную в упомянутой статье).

Когда-то давно у меня был интересный опыт связанный с СВЧ платами из Китая. Дело в том, что когда мы (отдел СВЧ разработчиков) получили партию устройств и стали измерять их характеристики, мы заметили странности. Устройства были сложные, состояли из нескольких СВЧ узлов, именно поэтому сложно сразу было понять в чём дело. Начальник высказал предположение, что эпсилон материала немного другая, чем должна быть. И мы стали проверять это предположение. Так как у нас на руках были только наши устройства, никаких обрезков материала или целых листов нам, естественно, не прислали, мы были ограничены в методах проверки.

Методы измерения параметров материалов можно разделить на несколько групп.

Некоторые из них подходят только для жидкостей (коаксиальный зонд), некоторые только для относительно больших образцов (метод измерения с помощью двух антенн). Нам был доступен только метод измерения в линии передачи, а точнее в волноводной линии передачи.

Подготовка. Мы стравили (не сами) с одной из плат всю фольгу. Вырезали прямоугольник (даже несколько) точно размера волновода. К тому же подготовили еще пару образцов из известного материала, для проверки.

Измерения. Сотрудники Keysight были так добры, что помогли нам с этими измерениями. Мы использовали PNA-X c установленным ПО для измерений параметров материалов и вот такой набор.

Метод состоит в том, что в линию передачи включается образец известной длины и толщины, но с неизвестной диэл. проницаемостью. Векторный анализатор цепей измеряет коэф. передачи на разных частотах и строит график зависимости эпсилон от частоты.

Теперь подробнее. В набор входят 2 коаксиально-волноводных перехода (КВП), отрезок волновода, куда вставляется измеряемый образец и волноводный калибровочный набор: согласованная нагрузка, ХХ и КЗ. Также есть специальные фиксаторы-зажимы, которые стягивают фланцы волноводов.

На фотографии сверху видна согласованная нагрузка, на переднем плане два КВП, между ними должен быть помещён отрезок линии передачи. Сначала безо всего, как на рисунке 5, затем туда необходимо вставить свой образец. Далее программа сама рассчитает значение эпсилон на основе сравнения измеренных коэффициентов передачи. Очень важно, чтобы образец был вырезан точно по размеру волновода (проблема у нас, например была в небольших технологических радиусах по углам). Очевидно, что если будут щели, будет показана эффективная эпсилон материал+воздух.

Итоги. Мы тогда выяснили, что отличие диэлектрической постоянной от паспортного значение было около 2%

Что же можно сделать, чтобы предотвратить такие неприятности? Ведь, если на простой схеме из одного элемента, можно довольно легко и быстро выявить отклонения, то на сложном устройстве из несколько узлов это намного сложнее. Ответ: тест-купоны (test coupons, чаще всего представляют собой резонаторы)

Тест-купоны

Самый простой тест-купон - обычный резонатор в виде open stub.

На частоте, когда длина l1 равна четверти длины волны в материале, ХХ на конце резонатора образует короткое замыкание в точке соединения, таким образом на частотной зависимости модуля коэф. передачи 21 будет виден провал. Мой пример с измерениями:

Один из самых распространённых типов тест-купонов - резонатор в виде кольца, у такого элемента выше добротность.

Резонаторы-кольца иногда дополняют разными элементами для улучшения согласования. Например:

Реализация. Первый, самый простой способ - при мультипликации заготовки с платами, добавить плату с резонатором "тест-купоном". Часто нет возможности сделать отдельную плату, поэтому можно расположить резонатор где-то в уголке и сделать посадочные места для вертикальных разъёмов.

Примеры вертикальных разъёмов

Спасибо за внимание! Заглядывайте в мой профиль и подписывайтесь на мой Инстаграм!