专利名称：一种高频微波印制板材介电常数的测试装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电变量的测试领域，具体地说是一种高频微波印制板材 介电常数的测试装置。
背景技术：
高频微波印制板材的介电常数是高频微波电路设计和器件的最重要的基 础参数，它涉及到传输线路是否匹配，功分器、滤波器和其它有源器件的输 入输出匹配回路与设计时采用的介电常数是否准确关系非常大，对于高频微 波印制板电路的生产厂家，必须对印制板的介电常数进行准确测试，以便提 供满足介电常数要求的印制板材，才能制造出符合要求的高频微波印制板电 路。
现今测试固体介质材料的方法有谐振测频法，微波扰动法和电容比较法。 谐振测频法将一块介质的表面全金属化构成谐振腔，并在宽边挖穿一小孔， 用网络分析仪测出其频率，利用频率和介电常数之间的函数关系，通过公式
计算出介电常数的值；微波扰动法是先建立一金属谐振腔测出其相应特性， 然后将一小块介质放入金属谐振腔中，再测其相应特性，将两者进行比较， 计算出相应的介电常数；介电常数比较法要分别测出在填充介质和填充空气 情况下的电容进行比较。采用上述三种方法所需的设备成本较高，技术复杂， 均只能对样件进行测试，浪费材料，而且对高频微波印制板材而言，通常都 比较簿，最簿的仅0.2mm用上述三种方法进行介电常数测试，对印制板电路 制造厂家来说均是无法实现的，必须寻找一种方法，能直接对印制板材进行 测试，得到其介电常数的数值。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种减少制造成本，能方便测出高频微波印制 板材介电常数的测试装置。
本实用新型通过下述技术方案来实现一种高频微波印制板材介电常数的测试装置，包括主机和两对测试电缆，
其特征在于所述主机包括模拟电路、数字信号处理电路、输入按键电路、 彩色显示屏和电源电路，每对测试电缆由两根电缆线组成，每对测试电缆的 一端设有电缆接头与主机连接，另一端与测试探头连接，两测试探头中置有 极性相反的磁铁，依靠铁磁引力，两测试探头可固定在被测印制板材中央的 两面。主机中模拟电路包括输入调整级电路、有源测试电桥电路、滤波电路、 整流电路、输出保护电路，输入调整级电路的输出端与有源测试电桥电路的 输入端之间设有与电缆接头连接的两连接端口，以便连接待测印制板材，输 入调整级电路调整测试频率信号电压的大�。性床馐缘缜虐ㄓ傻缋伦槌� 的连接有待测印制板材的输入电路、有源器件和反馈电路，其中有源器件包 括运算放大器，反馈电路分别由串联连接有�？痰缙鞯�4个量程电阻构成，
在输入调整级电路与有源测试电桥电路的输出均连接有电压跟随缓冲器，滤 波电路是中心频率为测试频率的带通滤波器，整流电路由线性检波电路和滤 波电路构成，有源测试电桥中待测印制板材的电容电压和相应量程电阻电压 的输出与一继电器连接，由数字电路控制继电器分时导通，再通过相同后续 滤波检波整流电路处理；数字电路包括A/D变换器、电压参考源，单片机和 数字频率合成器，其中A/D变换器将模拟电路输入的介质板材电容的直流电 压和量程电阻的直流电压变为数字信号提供给单片机处理，电压参考源的高 稳定电压输出提供A/D变换器作模数变换的电压参考，数字频率合成器产生 的测试频率信号提供给模拟电路的输入调整级电路作为测量源，单片机还通
过其内设的程序控制模拟电路中各继电器的动作，所述按键电路、彩色显示 屏均与单片机连接。
所述有源测试电桥中有源器件包括的运算放大器的输出直接连接有一电 压跟随器。
所述量程电阻设有4个，分别是800KQ、 IOOKQ、 IOKQ、 1KQ，相应 的测试量程分别是20 55PF, 50 550PF， 500 5500PF， 5000 55000PF，其中 1K， 10K和100K并接有阻抗大于量程电阻一个数量级以上的滤波电容。
所述滤波电路与整流电路的输出均连接有电压跟随器，滤波电路为TT型 滤波电路。
所述测试频率采用10KHz。
所述两对测试电缆探头内分别设置有一磁铁，两磁铁极性相反。
5所述两对测试探头的探头接触面积为014mm或(D40mm。 所述输出保护电路由4个二极管串联接地构成。 本实用新型具有以下优点
本实用新型通过模拟电路可测出印制板材上的直流电压Vc和相应标准 量程电阻上的直流电压Vr。根据有源测试电桥原理可得到C-^^ ，式中
u)和R分别是测试角频率和测试量程电阻值，由此可计算出印制板材的电容 C，因此测准Vr和Vc的值是测准印制板材电容亦即测准印制板材介电常数关
键所在。
由本实用新型所述的技术方案可知，第一，在模拟电路中所有输出级都 采用了电压跟随器，其特点是输出电阻�。杂诮邮崭涸乩唇菜鸷脑谛旁茨� 阻上的信号减�。茏畲蟊３衷行畔ⅲ挥绕洳馐缘缜胖械脑怂惴糯笃鞯缏� 的输出直接连接一电压跟随器，更有利于提高测试精度第二通过对标准量 程电阻及其量程和对输入调整级输出电压的正确选择，确保所有有源器件在 相应量程范围内均处于线性范围内工作，以减小非线性失真，根据印制板材 的情况选择了四个量程分别是800KQ、 100KQ、 IOKQ、 1KQ，加在印制板 材电容上的10KHz交流电压为0. 4V;第三由于在较大电容测试时电路中极易 产生寄生振荡，为此，在给较大电容量程电阻并接适当滤波电容和设置后续 带通滤波器，以抑制和消除寄生振荡的影响，保证测试的准确性，给较大电 容量程电阻并接的电容其容抗大于量程电阻一个数量级以上；第四通过继电 器对电压Vc和Vr分时对其信号进行完全相同的处理，因而不存在任何寄生 误差，通过上述措施，能比较准确地测出Vr与Vc的值。
两对测试电缆探头中由于设有极性相反的磁铁，因而两测试探头可以紧 紧地吸附在印制板材的中央部位，有利于对电容的准确测试，本印制板材测 试装置最大特点，可以对大张印制板材进行测试，而采用样件进行测试，往 往由于材料分布不均或者介质厚度不匀，样件测试结果，不能反映整张印制 板材的性能。对于无敷铜高频微波板材的介电常数可用①40mm的测试探头电 缆进行测试，测试时保证电缆测试探头与被测介质板样件有紧密的面接触， 使接触面之间无空气，为了实现紧密的面接触，电缆头的接触面具有8级以
6上的光洁度，当保证被测介质板材样件表面平整度时，便可准确测出印制板 材的介电常数。
图1是本实用新型高频微波印制板材介电常数的测试装置立体图； 图2是本实用新型高频微波印制板材介电常数的测试装置测试电缆立体图； 图3是本实用新型高频微波印制板材介电常数的测试装置观i」试电缆探头的剖 面结构示意图4是本实用新型高频微波印制板材介电常数的测试装置模拟电路电原理
图5是本实用新型高频微波印制板材介电常数的测试装置控制继电器的集成 电路连接图6本实用新型高频微波印制板材介电常数的测试装置数字电路方框图； 图7本实用新型高频微波印制板材介电常数的测试时理想电场分布图； 图8本实用新型高频微波印制板材介电常数的溯l賦时真实电场分布图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型高频微波印制板材介电常数的测试装置作进 一步描述
如图l-图3所示，本实用新型高频微波印制板介电常数的测试装置，包 括主机1、测试电缆2及连接在测试电缆2 —端的电缆探头3，测试电缆2 的另一端与主机l插接，主机l包括模拟电路、数字电路、按键电路、彩色 显示屏12和电源电路，其中电源电路为模拟电路、数字电路、按键电路和彩 色显示屏提供电源，在彩色显示屏12的侧面设有按键电路的输入键盘13， 电缆探头3包括套筒34、磁铁31，磁铁31置于套筒34内且与底面接触，两 测试探头内磁铁的极性设置是相反的，磁铁31的上面依次设有内导体焊片 32、绝缘盘39、外导体焊片33、绝缘橡胶35、固紧螺帽36，两测试电缆2 的内导体与内导体焊片32焊接，两测试电缆2的外导体与外导体焊片33焊 接，外导体焊片的直径比内导体直径�。ü肽诘继逯涞木蹬毯推渖� 的绝缘橡胶，确保内外导体之间的绝缘。测试电缆2外表面设有外护套38， 套筒34外表面设有绝缘护套37，固紧螺帽36锁紧在套筒34上。电缆探头3的接触面积可制作成014ram和①40mm两种直径的圆面以供测量时选用。
如图4所示模拟电路通过主机上的插接口 11与测试电缆2上的插接端 21连接，两电缆探头3通过磁铁引力可分别固定在高频微波印制板4中央的 两面。模拟电路包括输入调整级电路G1， G1输出的连接在电压跟随器G2输 入端，同时Gl的输出与有源测试电桥的有源器件G3之间设有与主机上的插 接口 11连接的连接端口 A、 B，其中Gl为一电压跟随器，有源器件G3为一 运算放大器，A、 B通过测试电缆与待测印制板材连接，成为有源测试电桥的 输入电路，有源测试电桥的有源器件G3连接跟随器G4，以减小输出电阻，G4 的输出连接有电压跟随器电路G5。电压跟随器G2、 G5的输出分别表示待测 印制板材的电容电压和量程电阻上的电压，它们之间连接一继电器Jl,继电 器Jl与一带通滤波电路连接，带通滤波电路G6与线性倍压检波电路G8连接， 其中带通滤波电路与线性倍压检波电路的输出分别连接有电压跟随器电路 G7、 G9,继电器Jl的作用是使印制板材电容电压和量程电阻上的电压后续 处理电路完全相同，测试电桥反馈电路由量程电阻R1-R4构成，各个量程电 阻分别串联连接�？痰缙鱆5、 J4、 J3、J2， 4个量程电阻，分别是800K Q (量程20到55PF)、 100K Q (量程50到550PF) 、 10K Q (量程500到5500PF)、 1KQ (量程5000到50000PF)，其中在1K， IOK， 100K量程电阻上并接有阻抗大
于相应量程电阻一个数量级以上的滤波电容，根据待测印制板材电容大�。� 由数字电路通过控制模拟电路中晶体管阵列集成块ULN2803 (图5所示)控
制相关继电器使相应量程电阻接入，在模拟电路输出端还设有对数字电路的 过压保护电路，输出过压保护电路由4个二极管串联接地构成。
如图6所示，数字电路包括A/D变换器、单片机和DDS数字频率合成器。 A/D变换器将模拟电路输入的经整流后的介质板材电容和量程电阻的直流电 压变为数字信号提供给单片机，单片机根据其比值，测试角频率和量程电阻 计算出印制板材的电容C。DDS数字频率合成器产生测试所需的10KHz测试频 率供给模拟电路的输入调整级电路作为测量源，单片机通过其内设的程序控 制模拟电路中各继电器的动作，并根据按键电路13输入的印制板材4的几何 参数(面积，周长，介质厚度)和印制板材电容计算出印制板材的介电常数 ￡r、提供给彩色显示屏12显示。A/D变换器由电压参考源提供参考电压。按
键电路、彩色显示屏均与单片机连接。
测试印制板材4时，电缆探头3放置的最佳位置应是印制板4的中央部位，因为在这种情况下电场的分布和边缘效应的影响都比较对称，更接近平
板电容器状态，有利于对电容的准确测试。当用接触面直径达40mm的电缆探 头3，可测试无铜泊的高频微波板材的介电常数，测试时，将板材制成40mm 直径的测试样件，应保证电缆探头3与被测介质板样件有紧密的面接触，否 则接触面之间存在有空气，将会带来很大误差，为了实现紧密的面接触，电 缆探头的接触面具有8级以上的光洁度，同时对于被测介质板样件表面平整 度也有要求，以保证良好的面接触，才能准确测出印制板材的介电常数。
本测试装置测试印制板材电容和介电常数的测试原理叙述如下由图4 可知，流经在A， B两点之间印制板材的电流和流经作为量程电阻的反馈电阻 上的电流是相同的，这是由于B端连接G3的负端虚地造成的，印制板材上的 电压就是G1的输出电压亦是G2的输入电压，电流流经标准量程电阻产生的 电压加在G5上，由于G2和G5均为跟随器，因此G2和G5的输出分别是印制 板材电容上的电压和标准电阻上的电压，由于流经的电流相同即有
0)CVc=Vr/R
wR
因此测出了电压的比值和知道测试频率以及量程电阻的值便能计算出待测印 制板材的电容。
本实用新型在使用中由按键电路板输入被测印制板材的面积A (cm2)， 周长￡ (cm)和介质厚度d(cm)并根据测试出印制板的电容C(PF)由公式
￡r = 0.0885A/d + 0.。C141f[ln(8f/d)-1
②
计算出印制板材的介电常数。和一般平板电容器公式相比考虑了边缘效应的 影响，从而确保了介电常数测试的准确性。
该公式的来源推导如下
根据空气平板电容器公式在厘米，克，秒制中有:
式中A为平板电容器面积(cm2) ，d (cm)为两平行板之间的距离，Cces为电 容其量纲是长度cm。在米，千克，秒制中对于非空气介质的其它介质的平板
电容器公式有<formula>formula see original document page 10</formula>
式中e。是空气介电常数有:
^ = 0.0885x10
12
(F/M)
(5)
^是介质相对于空气的相对介电常数，(4)式电容量纲是法拉(F)，将(4)
式面积A用(cm2)表示，d用(cm)表示，￡。用(pF/cm)表示，则有
A
C隨=0.0885Er(PF) (6) 由于(3)式中的^和(4)式的4具有相同量纲，因此可相互带入，将(3)
式中^-"Cces带入(6)式有-d
GMKS = 0.0 885￡r4nCCGS
(7)
(7)表明了介质用PF作单位的电容与厘米克秒制中电容(cm)之间的关系。 公式(3)和(4)都是在假定电场在两板中均匀分布时得到的，如图7所示， 但实际的电场分布存在着边缘效应如图8所示，因此必须行修正。 考虑边缘效应的厘米，克，秒制的园平行板电容有
c
R'
cgs
4d4tt… d
为了应用方便，可用面积A和周长f来表示有
将(8)式带入(7)式，并用一般C取代c皿有
C
「 A ft-
0.0885 二 +0.014,(!)-1
d d
式中C二带入高频微波印制板的电容(PF)，
A^带入高频微波印制板的面积(cm2 )，
d-带入高频微波印制板的介质厚度(cm), ,二带入高频微波印制板的边缘周长(cm)。 由(10)式便可求得高频微波印制板的介电常数了
(8)
(9)
(10)
10
权利要求1、一种高频微波印制板材介电常数的测试装置，包括主机和两对测试电缆，其特征在于所述主机包括模拟电路、数字信号处理电路、输入按键电路、彩色显示屏和电源电路，每对测试电缆由两根电缆线组成，每对测试电缆的一端设有电缆接头与主机连接，另一端与测试探头连接，两对测试电缆上连接的测试探头可固定在被测印制板材中央的两面，其中模拟电路包括输入调整级电路、有源测试电桥电路、滤波电路、整流电路、输出保护电路，输入调整级电路的输出端与有源测试电桥电路的输入端之间设有与电缆接头连接的两连接端口，输入调整级电路调整测试频率信号电压的大�。性床馐缘缜虐ㄓ傻缋伦槌傻牧佑写庥≈瓢宀牡氖淙氲缏�、有源器件和反馈电路，其中有源器件包括运算放大器，反馈电路分别由串联连接有�？痰缙鞯牧砍痰缱韫钩桑谑淙氲髡兜缏酚胗性床馐缘缜诺缏返氖涑鼍佑械缪垢婊撼迤鳎瞬ǖ缏肥侵行钠德饰馐云德实拇瞬ㄆ鳎鞯缏酚上咝约觳ǖ缏泛吐瞬ǖ缏饭钩桑性床馐缘缜胖写庥≈瓢宀牡牡缛莸缪购拖嘤α砍痰缱璧缪沟氖涑鲇胍患痰缙髁樱墒值缏房刂萍痰缙鞣质钡纪ǎ偻ü嗤笮瞬觳ㄕ鞯缏反恚皇值缏钒ˋ/D变换器、单片机和数字频率合成器，其中A/D变换器将模拟电路输入的介质板材电容的直流电压和量程电阻的直流电压变为数字信号提供给单片机处理，数字频率合成器产生的测试频率信号提供给模拟电路的输入调整级电路作为测量源，单片机还通过其内设的程序控制模拟电路中各继电器的动作，所述按键电路、彩色显示屏均与单片机连接。
2、 根据权利要求1述的高频微波印制板材介电常数的测试装置， 其特征在于所述有源测试电桥中有源器件运算放大器的输出直接 连接有一电压跟随器。
3、 根据权利要求1述的高频微波印制板材介电常数的测试装置， 其特征在于所述量程电阻设有4个，分别是800KQ、 IOOKQ、 10K Q、 1KQ，相应的测试量程分别是20 55PF，50 550PF，500 5500PF, 5000 55000PF，其中1K， 10K和100K并接有阻抗大于量程电 阻一个数量级以上的滤波电容。
4、根据权利要求1述的高频微波印制板材介电常数的测试装置， 其特征在于所述滤波电路与整流电路的输出均连接有电压跟随器，滤波电路为TT型滤波电路。
5.根据权利要求1述的高频微波印制板材介电常数的测试装置， 其特征在于所述测试频率采用10KHz。
6、 根据权利要求1所述的高频微波印制板材介电常数的测试装 置，其特征在于所述两对测试电缆探头内分别设置有一磁铁，两磁 铁极性相反。
7、 根据权利要求1述的高频微波印制板材介电常数的测试装置， 其特征在于所述输出保护电路由4个二极管串联接地构成。
8、 根据权利要求6述的高频微波印制板材介电常数的测试装置， 其特征在于所述两对测试探头的探头接触面积为014mm或(D40mm。
专利摘要本实用新型公开了一种高频微波印制板介电常数的测试装置，包括主机和两对测试电缆。其特征在于所述主机包括模拟电路、数字信号处理电路、输入按键电路、彩色显示屏和电源电路，每对测试电缆由两根电缆线组成，每对测试电缆的一端设有电缆接头与主机连接，另一端与测试探头连接，两测试探头可固定在被测印制板材中央的两面。通过对印制板材电容的测量，计算出印制板材的介电常数。采用本实用新型能准确测量印制板材介电常数且具有成本低的优点。
文档编号G01R27/26GK201322774SQ200820202269
公开日2009年10月7日 申请日期2008年10月23日 优先权日2008年10月23日
发明者阳泽彬 申请人:深圳市博敏电子有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
