測量電路材料中的Dk溫度變化

電路材料的溫度特性參數(shù)可以讓我們深入了解工作環(huán)境的溫度變化如何影響毫米波和高速數(shù)字（HSD）電路性能。

材料工作溫度是一個常常被忽視的電路材料參數(shù)。然而，電路板內(nèi)外的熱源造成的工作溫度升高可能導(dǎo)致電路性能發(fā)生變化，特別是在毫米波頻率及高速電路中。通過研究電路材料與溫度相關(guān)的關(guān)鍵材料參數(shù)，如介電常數(shù)的熱系數(shù)（TCDk）和插入損耗的溫度系數(shù)（TCIL），可以更好地了解高頻電路材料與溫度相關(guān)的性能。將這些參數(shù)與其他溫度相關(guān)的材料參數(shù)進行比較，可幫助選擇工作環(huán)境溫度高的應(yīng)用中所需的電路材料（包括滿足縮減尺寸、重量和功率以及成本（SWaP-C）預(yù)期要求）。

電路材料的典型特征均是在+25°C左右的室溫（RT）條件下表征，但它們所構(gòu)成的電路可能會經(jīng)歷高得多的工作溫度。由于毫米波電路尺寸小，所以工作溫度升高會導(dǎo)致機械特性和電氣性能的變化。越來越多的毫米波電路將安裝應(yīng)用于汽車雷達和安全系統(tǒng)以及第五代（5G）蜂窩無線通信網(wǎng)絡(luò)中，而這些毫米波電路的最終性能，包括熱性能都將取決于電路材料的選擇和考慮。

由于高溫會導(dǎo)致電路材料的電氣和機械性能發(fā)生變化，所以有多種參數(shù)用于描述高溫對電路材料的影響。熱膨脹系數(shù)（CTE）可用來描述溫度改變而導(dǎo)致的物理尺寸變化，而熱導(dǎo)率則用于描述電路材料的熱流特性。

其他與溫度相關(guān)的電路材料參數(shù)均基于介電常數(shù)（Dk）和損耗因子（Df）等關(guān)鍵材料參數(shù)隨溫度的測量值的數(shù)據(jù)，從而推算出電路材料及其電路在高溫會發(fā)生怎樣的變化。Dk是指相對真空中距離相同的兩個導(dǎo)體存儲的電磁（EM）能量而言，Dk也常用于計算機建模和預(yù)測傳輸線和其他電路結(jié)構(gòu)的阻抗。根據(jù)電路材料的不同，Dk在工作溫度升高時可能會發(fā)生顯著變化，所以了解電路材料的Dk是如何受溫度影響的變得非常重要。介電常數(shù)溫度系數(shù)（TCDk）已成為一個普遍的電路材料參數(shù)，通過它可以了解材料的Dk是如何對高溫做出反應(yīng)的。

理想情況下，Dk (ΔDk)無變化或ΔDk = 0是大多數(shù)高頻電路材料的目標(biāo)，盡管這幾乎很少能實現(xiàn)。這種理想材料相應(yīng)的TCDk等于0 ppm/°C，這說明Dk隨溫度不會發(fā)生變化。而現(xiàn)實中，用于電路的介質(zhì)材料的Dk均會發(fā)生不程度的變化。更實際的情況是，50 ppm/°C或更小的TCDk被認為較低且可以實現(xiàn)的特性，這表示電路材料的Dk隨溫度發(fā)生的變化極小或ΔDk值非常低。

電路材料的介質(zhì)損耗或Df在溫度升高時也會發(fā)生變化，與溫度相關(guān)的材料參數(shù)—損耗因子溫度系數(shù)（TCDf）也可用來追蹤具體溫度和頻率下所發(fā)生的變化。理想TCDf值應(yīng)為0 ppm/°C，在工作溫度范圍內(nèi)變化最小。

由于難以準確測量隨著溫度變化的TCDf，所以插入損耗是一個能更全面地反映具體電路材料上無源電路的電磁能量損耗的電路參數(shù)。插入損耗的溫度系數(shù)（TCIL）也是一個溫度參數(shù)，表征電路的插入損耗是由于工作溫度的變化而發(fā)生的變化。

1  測試方法

通過在某種加熱裝置上安裝試驗電路來控制電路的工作溫度，可準確測量TCDk和TCIL等電路的溫度參數(shù)。微帶線差分相位長度法是一種準確測量毫米波頻率（如77 GHz）的這類溫度特性的方法。試驗時，可在室溫、+65°C和+125°C等不同的條件下測量微帶傳輸線的相位信息。

測試中，通過如熱成像儀和溫度傳感器等設(shè)備對這不同溫度環(huán)境進行精確控制。這些被測的微帶線除長度以外，其他參數(shù)都是相同的；如介質(zhì)材料、基板厚度以及銅箔厚度等均相同。電路發(fā)生溫度變化時，傳輸線的相位會發(fā)生變化。在毫米波頻率條件下，可以選用如5 mil厚度、1/2oz的基板材料，進行不同材料的TCDk和TCIL等參數(shù)的比較。

通過測試微帶線電路在77 GHz頻段、不同工作溫度下的幅度和相位數(shù)據(jù)，可以獲得相應(yīng)的TCDk和TCIL的數(shù)據(jù)。相位信息可用于計算材料的TCDk，而幅度信息可用于獲得材料的TCIL性能。

2   DK隨溫度變化

為了更好地了解羅杰斯公司RO3003G2?層壓板的溫度性能，可利用微帶線差分相位長度法來表征電路TCDk和TCIL特性。RO3003G2材料是基于聚四氟乙烯（PTFE）和陶瓷球形微粒填料的電路層壓板，確保了各個方向上的Dk一致性。特別是針對毫米波頻段的性能優(yōu)化，例如用于汽車毫米波雷達的77/79 GHz，進一步降低了材料的損耗，且確保了材料在高溫下的最小的Dk變化特性。

如前面所述，基于5mil厚度層壓板的電路，利用微帶線差分相位長度的方法，測試了室溫、+65°C和+125°C等不同溫度條件下的電路特性，比較由此獲得的隨溫度變化的TCDk和 ΔDk，及TCIL和ΔIL。同時，也利用相同的測試條件和方法獲得了5 mil厚度的基于聚苯醚（PPE）樹脂體系的競品材料的TCDk和TCIL。對比了在77 GHz條件下的5 mil RO3003G2溫度特性和該競品材料的性能。

在使用微帶線差分相位長度法確定77 GHz頻率下的Dk時，5 mil RO3003G2層壓板厚度方向（z軸）的Dk值是3.07。當(dāng)通過固定式帶狀線諧振器方法測試10 GHz下的Dk時，沿z軸的Dk值為3.00。盡管這兩種方法均是在室溫條件下進行的，但并不知道當(dāng)電路處于更高工作溫度時，材料的Dk會發(fā)生怎樣的變化。利用微帶線差分相位長度法可以獲得材料（如RO3003G2層壓板）在更寬工作頻率范圍及室溫條件下的Dk及頻率響應(yīng)。延伸該測試，如果升高溫度（+65°和+125°C）并重復(fù)進行測量，即可確定TCDk，并可更好地了解工作溫度變化是如何影響該材料電路性能的。

如圖1所示，圖中展示了RO3003G2層壓板在不同工作溫度下的Dk隨頻率變化的情況。首先，高頻材料的Dk都會隨著頻率升高而下降；其次，隨著工作溫度的升高Dk發(fā)生了變化。RO3003G2層壓板的TCDk是-35 ppm/°C，通過微帶線差分相位長度法在不同溫度下的一系列測量，可以看到材料的Dk會隨著溫度升高而下降，與負號一致。在77 GHz時，RO3003G2材料從常溫到+125°C 的ΔDk或Dk變化量約為-0.010，同時在1 inch（25.4mm）長的微帶傳輸線的相位角變化（Δ?） 為6度。

這種Dk隨溫度變化會導(dǎo)致毫米波頻率下的電路發(fā)生非期望的性能變化，特別是當(dāng)設(shè)計時都認為高頻傳輸線的相位角在所有工作溫度時保持不變，以及認為如射頻信號、收發(fā)信機和其他電子系統(tǒng)中毫米波信號大小保持不變。雖然ΔDk在77 GHz時為0.010，但特別是與其他電路材料的毫米波頻率相比較，才能更好地了解在不同溫度條件下的性能。

▲ 圖1 測量結(jié)果表明RO3003G2電路層壓板在77 GHz時不同溫度下的ΔDk非常小

為方便比較，對目前市場上的5 mil厚度的某款商用高頻電路材料進行測試對比。該材料數(shù)據(jù)手冊標(biāo)示10 GHz時z軸方向Dk為3.0，Df為0.002。利用微帶線差分相位長度法測量該層壓板上不同長度的傳輸線在77 GHz時相位差，從而評估毫米波頻率下性能以及在室溫、+65°C和+125°C溫度下的Dk變化。經(jīng)過測試得到該材料在77 GHz時的ΔDk為0.031（圖2），高達RO3003G2層壓板材料的（0.010）三倍。該ΔDk值的變化也會導(dǎo)致的相位角變化非常明顯，而且毫米波雷達應(yīng)用通常也會重點要求相位角保持盡可能的一致性。

如圖Dk隨頻率變化所示，這款材料的Dk在頻率較低時的變化相對較小，Dk值大于3.10。但是在毫米波頻率范圍內(nèi)，Dk的隨溫度的變化增大，這表明溫度對Dk的影響是非常明顯的。隨著工作溫度升高至更高+125°C，77 GHz時的Dk從3.045大幅下降至3.010，變化達到0.031。

▲ 圖2 上述圖表顯示了毫米波頻率下、不同工作溫度對不同高頻電路材料Dk的影響。

3   損耗隨溫度的變化

對于電路材料的損耗隨溫度的變化，除TCDf之外，TCIL特性可提供一個了解材料在不同溫度條件下電路總的損耗性能的方法。TCDf是材料參數(shù)，描述的是材料介質(zhì)損耗性能隨溫度變化的趨勢；TCIL是電路參數(shù)，用于說明相關(guān)電路材料上的電路的預(yù)期信號功率損耗。對于在毫米波頻率及更寬溫度范圍環(huán)境中工作的有源或無源電路來說，TCIL也是評估毫米波電路或系統(tǒng)中使用的電路如衰減器、濾波器等部件的實際信號損耗隨溫度的變化的一種方法。

為了評估RO3003G2電路材料在溫度升高時毫米波電路的性能變化，在評估TCDk的同時也進行了TCIL的特性測試。測試樣品與前面所測試的同一電路樣品，銅箔是0.5oz標(biāo)準HVLP ED銅、材料厚度5mil。眾所周知，所有無源微波/毫米波PCB傳輸線其插入損耗均會隨著頻率增加趨勢。如圖3所示， RO3003G2的微帶線電路的損耗也是相同的，在77 GHz下的電路插入損耗約為1.3 dB/inch。在常溫、+65°C和+125°C的不同工作溫度下，RO3003G2的插入損耗曲線幾乎重疊，對頻率的響應(yīng)幾乎相同，不隨溫度變化而發(fā)生明顯的變化。可以看到，在77 GHz時插入損耗的變化量或ΔIL僅為0.008 dB/inch。因此，基于RO3003G2材料所有無源電路和傳輸線的損耗在寬工作溫度下、77 GHz時均小于1.5 dB/inch。

▲圖3 基于PTFE的RO3003G2電路層壓板在不同溫度下的插入損耗變化ΔIL

對基于PPE的競品高頻電路材料的損耗隨溫度的評估，也采用了完全相同的方法進行了測試，分別測試了不同溫度下的插入損耗變化ΔIL特性。測試電路的設(shè)計也是完全相同的，使用0.5oz極光滑銅箔的5 mil厚度的競品電路材料，微帶線差分相位長度測試方法。如圖4所示，其插入損耗隨溫度的變化與RO3003G2材料表現(xiàn)完全不同，特別是在77 GHz時。在77 GHz時，基于PPE電路材料的插入損耗變化ΔIL達到0.281 dB/inch。這表示采用該材料的77 Ghz雷達毫米波電路，電路的插入損耗將從室溫的1.47 dB/inch增大為+125°C時的1.75 dB/inch，存在超過20%的損耗變化，對雷達天線的性能和雷達探測距離影響較大。

▲圖4 基于PPE樹脂體系的電路層壓板的插入損耗會隨著溫度升高而發(fā)生明顯變化。

除汽車雷達傳感器之外，工業(yè)傳感器的應(yīng)用也越來越依賴77 GHz頻段及60~80 GHz頻段，所以TCDk和TCIL對于這些頻段來說也是非常重要的。為了更好地了解77 GHz頻率下天線可能發(fā)生的頻偏，特設(shè)計了1 × 8串聯(lián)饋電的微帶貼片天線（如圖5）作為測試樣品，用于比較不同電路材料在77 GHz時發(fā)生的隨溫度變化的頻率漂移。

▲圖5 這是天線測試電路，分別在四種不同的5mil厚度的電路材料上設(shè)計了77 GHz的 1 × 8串饋微帶貼片天線，由此比較由于溫度變化所引起的天線頻率偏移。

利用微帶貼片天線進行的測試，與前面的微帶線差分相位長度法的測試過程完全相同，只是被測電路用貼片天線代替了微帶傳輸線。分別在5 mil RO3003G2和5 mil CLTE-MW?層壓板，及其他2種不同的5 mil PPE層壓板（即PPE #1和PPE #2）上設(shè)計了完全相同長度的貼片天線。設(shè)計的貼片天線以76.90 GHz為中心頻點，帶寬約1.5 GHz，采用四分之一波長阻抗變壓器進行天線的阻抗匹配。按照前面討論的傳輸線電路溫度范圍測量了這4種材料上的貼片天線的S參數(shù)。如表1中所示，2種基于5 mil PPE材料的天線頻率隨溫度變化的頻偏明顯高于5 mil RO3003G2和5 mil CLTE-MW層壓板材料。這也表示在溫度會發(fā)生變化的工作環(huán)境中使用這些材料可能會造成性能的差異。

在****信號功率有限的毫米波頻率下，低損耗特性對于電路來說是非常重要的。在溫度升高的環(huán)境下，插入損耗變化ΔIL較小的電路材料對于如汽車防撞雷達的應(yīng)用尤為重要。我們知道，汽車雷達傳感器系統(tǒng)即使處于非常惡劣的溫度環(huán)境下，其毫米波信號損耗變化也非常小、性能一致性好，可以令系統(tǒng)集成商（和汽車制造商）放心使用，其雷達傳感器系統(tǒng)在這些溫度范圍內(nèi)均能可靠地正常運行。

總結(jié)

工作溫度環(huán)境的變化并不總是可預(yù)測的，但卻可以預(yù)見，特別是對于會接觸室外溫度和熱源的電子應(yīng)用來說。從系統(tǒng)的電路板開始，溫度效應(yīng)就會使電路性能發(fā)生變化，代價高昂。通過一系列的測量技術(shù)，有助于獲得和評估溫度升高條件下的一些材料性能，如TCDk和TCIL等參數(shù)，從而選擇合適的且表現(xiàn)優(yōu)異的電路材料應(yīng)用于關(guān)鍵部件。