【概述】
中国材料与试验团体(Chinese Standards for Testing and Materials) （简称 CSTM）标准委员会在2023年04月发布了团体标准TCSTM 00990-2023《毫米波频段介电常数和介质损耗角正切测试方法 准光腔法》，并于2023年07月07日正式实施。本文是针对标准内容进行解读。
【标准制定背景】
随着我国5G正式商用，应用于5G通信的新材料已经成为制约我国5G通信发展的关键。5G移动网络系统主要使用两段频率：FR1频段和FR2频段。FR2频段是以后发展的重要频段毫米波频段涉及24~52GHz，车载雷达使用频段已经达到76G~81GHz。卫星、雷达、微波器件等的工作环境也越来越严峻，会在极寒或者超高温的环境下工作。介质材料的介电常数和介质损耗角正切会随着材料温度的变化而变化，在恶劣环境下，材料的介电常数温度系数（TCDk）和损耗因子温度系数（TCDf）会影响系统整体性能，当电路板需要在较大的温度范围内工作时，介电常数温度系数也是关键参数，所以建立介电常数温度系数和损耗因子温度系数的测试方法是有必要的。
【目的、意义/重要性】
介电常数和介质损耗角正切是高速高频覆铜板最为重要的一项性能，决定成品阻抗、损耗、增益等。介电常数和介质损耗角正切的误差可能会导致电路整体性能的重大变化，准确测量介电常数和介质损耗角正切对于产品设计和研发非常重要，因此需要建立高频介质基板的介电常数和介质损耗角正切，介电常数温度系数和损耗因子温度系数的测试方法，为通信产业发展提供测试基础。国内外现有标准中缺少适合国内测试现状的毫米波段介电常数、介质损耗角正切、介电常数温度系数和损耗因子温度系数的测试方法。所以本标准提出《毫米波频段介电常数和介质损耗角正切测试方法—准光腔测试法》标准。
【标准介绍】
标准规定了介质基板毫米波波段的介电常数和介质损耗角正切的准光腔测试方法，包括原理、环境条件、仪器设备、样品要求、测试步骤、计算公式、系统误差、注意事项和试验报告等内容。适用于测量测试片状固体材料在毫米波频段的介电常数和介质损耗角正切值。测试频率范围：f=25GHz~110GHz ；测试介电常数范围： ；测试损耗角正切值范围： 。准光腔法测试材料的介电常数和介质损耗角正切，测试频段可以达到带状线谐振器测试法不能达到的110GHz。该方法使用到的试验设备有：矢量网络分析仪、准光腔变温测试系统、温度控制仪、真空泵、低温恒温反应浴、高温干燥箱、千分尺等。
【标准特点】
目前，国内外涉及关于介电常数和介质损耗角正切的测试方法标准主要有国标GB/T 4722-2017、GB/T 12636-1990、GB/T 9534-1988和JIS R1660-2:2004等。国标GB/T 4722-2017《印制电路用刚性覆铜箔层压板试验方法》包含了介电常数和介质损耗角正切的测试方法，但其测试频率最高只能到1.5GHz，不能满足现在测试频率越来越高的需求。国标GB/T 12636-1990《微波介质介电常数和介质损耗正切值的带状线测试方法》,一方面该标准测试频段为1GHz~20GHz,无法达到高频20GHz~110GHz频段，另一方面没有提出介电常数温度系数和损耗因子温度系数的测试方法。JIS R1660-2:2004是日本工业标准，该方法主要是针对日本情况提出的测试标准，不适用与国内的测试情况，且该方法只提出毫米波常温测试方法，没有提出介电常数温度系数和损耗因子温度系数的测试方法。
对比现有国内外标准，本标准采用准光腔变频法进行测试，规定25GHz~110GHz宽带范围内的介电常数和介质损耗角正切以及介电常数温度系数和损耗因子温度系数的测试方法，对比国内外现有标准情况，本标准改进优化的地方：（1）根据发展需求，添加复介电常数的温漂测试（TCDk、TCDf）标准（-65℃~125℃），补充国内标准欠缺；（2）细化了测试步骤，提高测试的一致性和可重复性；（3）描述了在试验过程中影响试验结果的注意事项。
相关标准的对比结果见表1。
表1 标准对比表
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标准号 |
IPC-TM-650 2.5.5.5 |
GB/T 12636-1990 |
IEC 61189-2-721-2015 |
GB/T 9534-1988 |
JIS R1660-2:2004 |
TCSTM 00990-2023《毫米波频段介电常数和介质损耗角正切测试方法 准光腔法》 |
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标准名称 |
Stripline Test for Permittivity and Loss Tangent (Dielectric Constant and Dissipation Factor) at X-Band |
微波介质基片复介电常数带状线测试方法 |
Test methods for materials for interconnection structures – Measurement of relative permittivity and loss tangent for copper clad laminate at microwave frequency using split post dielectric resonator |
毫米波频段固态电介质材料介电特性测试方法——准光腔法 |
毫米波段介质特性测量方法—第2部分：开放形共振器方法 |
毫米波频段介电常数和介质损耗角正切测试方法——准光腔法 |
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范围 |
测试频率范围：8GHz~12.4GHz |
测试频率范围：1GHz~20GHz 测试介电常数范围：2~25 测试损耗角正切范围：5×10-4~1×10-2 |
1.1GHz~20GHz，离散频点，多个夹具副高1.1G、2.5G、5G、10G、15G、18G，温度系数支持范围为-45~85℃ |
测试频率范围：30GHz~150GHz 测试介电常数范围：2~15 测试损耗角正切范围：5×10-5~1×10-3 |
测试频率范围：50GHz~300GHz 测试介电常数范围：2~40 测试损耗角正切范围：10-5~10-3 |
测试频率范围：25GHz~110GHz ； 测试介电常数范围： 2.0~20.0； 测试损耗角正切值范围：1×10-4~1×10-2 测试温度范围：-65℃~125℃。 |
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原理 |
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以被测介质基片与良导金属片和薄带可构成典型的带状传输线，一段两端开路的带状传输线具有谐振电路的特性。 |
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在确定的测试频率下，置入试样后，谐振腔的谐振长度和有载品质因数均发生变化。根据谐振频率、样品厚度、置入试样前后腔的谐振长度和有载品质因数值，可以计算出试样的相对介电常数和损耗角正切值。 |
样品的介电常数是根据样品的厚度，谐振器的长，球面反射镜的曲率半径及插入样品时TEMooq（q=0,1,2，…）模式下的谐振频率测得的。另外，根据该相对介电常数的值、样品插入前的负荷Q值（Q0）及样品插入后的负荷Q值（QL），可以求得样品的介质损耗正切值。 |
准光腔测试方法采用变频法进行测试，准光腔谐振腔由一球面镜和一平面镜构成，通过测量空腔和加载样品后的谐振频率变化以及腔体品质因数Q值的变化，计算被测样品的介电常数和介质损耗角正切。 |
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制样要求 |
应通过标准蚀刻工艺将待测材料的金属层去除；应通过任何标准蚀刻工艺（包括冲洗和干燥）从待测材料上去除所有金属覆层；试样应由一组两张51mm x 69 mm尺寸的样品组成。 |
单片基片的尺寸为L×L’×b/2 |
试样的尺寸应大于金属围场内径的尺寸，试样的最大厚度应小于该装置的金属围场之间的距离。 |
试样半径大于3倍束腰半径，小于平面镜半径a2。 |
样品的大小为5 Woa以上，合适的样品厚度 合适的样品厚度t：t=149.90/(f√(εs))×m |
直径50mm的圆片状样品或者50mm×50mm的正方形片状样，厚度1mm~3mm。 |
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试验条件 |
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正常的测试大气条件 温度：20~30℃；相对湿度45%~75%；气压86~106kPa。 |
正常的测试大气条件 温度：20~30℃；相对湿度45%~75%；气压86~106kPa。 |
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测试条件为温度：23℃±2℃，湿度：50%±5%，试验时环境温度的波动不应超过1℃。 |
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仪器设备 |
测试夹具、微波信号源、测量信号频率的装置、检测功率电平的装置。 |
a)信号源；b)频率计；c)精密可变衰减器；d)隔离器；e)数字式电压表。 |
a）夹具；b)矢量网络分析仪；c）校验装置；d)千分尺e)循环烘箱。 |
a)半共焦准光腔；b)毫米波稳频稳幅信号源；c)精密标准衰减器；d)隔离器；e)数字式微波频率计；f)检波器；g)样品厚度量具。 |
a)信号发生器；b)矢量网络分析仪；c)开腔谐振器。 |
a)矢量网络分析仪；b)准光腔变温测试系统；c)温度控制仪；d)低温恒温反应浴；e)真空泵；f)高温干燥箱；g)千分尺。 |
【标准应用】
标准自正式实施以来，受行业内相关企业关注。标准的主要参编单位将本标准应用到相关产品的检验检测中，在产业链内形成共识，为材料出厂测试-过程验证-改善验证-终端应用的良性循环提支撑和依据。此外作为主要起草单位，充分利用国家新材料测试评价平台-电子材料行业中心对该标准进行了推广。
【标准制定单位构成】
标准起草单位：工业和信息化部电子第五研究所、电子科技大学、中兴通讯股份有限公司、成都恩驰微波科技有限公司、广东生益科技股份有限公司、浙江华正新材料股份有限公司。