一、引言

       我国170GHz超宽带光通信芯片实现商用落地，该芯片突破高速光调制、高频信号驱动、高密度集成等多项卡脖子技术难题，性能达到超高水平，可广泛应用于国家骨干光网、大型数据中心互联、6G通信、算力网络等国家新型基础设施。相应的，对传统散热方案提出了更高的要求。

       金刚石薄膜的热导率可达2000W/m·K，是铜、银的4-5倍，远超传统半导体材料。金刚石薄膜+液冷散热方案，已经应用于高端算力芯片（如GPU、AI芯片）、数据中心、5G基站、航空航天等领域。

图1 金刚石薄膜

1、本节将介绍用于通信系统及雷达材料介电测量的系统基本构成，该系统主要由三部分组成（见图2）。

图2 介电常数测量系统基本构成

     第ONE部分是矢量网络分析仪（VNA），这是测量VNA端口间幅度与相位频率特性的测试设备。矢量网络分析仪可根据测量条件生成输入信号，并捕获输出信号。目前市面上的矢量网络分析仪既有体积小巧、便于携带且功能丰富的型号，也有覆盖不同频率范围的各类机型，可根据测量目标与用途选择适配的设备。

     第二部分是用于样品介电常数测量的夹具。测量时需将待测试材料样品固定在夹具上，并连接矢量网络分析仪的输入/输出电缆。夹具的选择需结合样品类型、形状及测量条件。

     第三部分是通过矢量网络分析仪自动测量样品频率特性的电脑软件。该软件可根据实测数据计算样品的介电常数及介电损耗角正切（用于表示介电材料损耗转化为热量的程度，公式中以DF表示），并在电脑屏幕上显示结果。

     其中，夹具与电脑软件由介电测量系统供应商提供，矢量网络分析仪则由安立等测量设备供应商提供。

三、两种主要介电测量类型

     常规介电测量可分为两类（见表1）。

表1 介电常数测量的两种类型及目标样品

1、谐振腔法

     第ONE种是谐振腔法，适用于测量树脂（板材、薄膜）、粉末、陶瓷、油类等样品，频率范围为200 MHz~330 GHz。测量时，将样品放入谐振腔，通过矢量网络分析仪测量谐振频率的变化，进而得出介电常数；同时，可通过品质因数（Q值）的变化确定介电损耗。该方法不适用于测量雷达吸波材料等介电损耗较大的材料。

2、无线电波传输法

     第二种是无线电波传输法，适用于测量树脂（板材、薄膜）、涂料、胶粘剂、橡胶、油类等样品（需为厚度100微米及以上的薄膜，且介电损耗相对较大）。测量时，将样品置于无线电波传输路径上，通过无线电波在样品上的透射量与反射量确定介电常数。

3、测量方法的选择依据

     工程师需结合以下因素选择介电常数测量方法：

（1）依据样品介电常数的测量频率范围，选择适配的夹具与测量系统

（2）样品特性（尤其是介电损耗）

（3）样品的厚度与尺寸

（4）测量所需的温度与湿度条件

（5）是否需要在减压环境下测量

     例如，介电损耗角正切（DF）大于等于0.05的样品适合采用无线电波传输法；而DF小于0.05的样品及薄膜样品（无线电波传输法难以适用）则更适合采用谐振腔法。需注意的是，即使是同一种材料，薄膜样品与固体样品不仅可能需要采用不同的测量方法，其特性也可能存在差异。

     通常情况下，样品尺寸越大，越容易通过矢量网络分析仪进行检测与测量。但如前所述，介电常数本身可能随样品形状和尺寸的变化而改变，因此测量条件需尽可能接近真实应用场景。此外，如有需要，工程师还需考虑模拟实际使用环境的温湿度变化，或使用可在减压环境下测量的夹具。

4、基于矢量网络分析仪的介电测量

     四种基于矢量网络分析仪的测量方法，包括各方法适用的样品及测量条件（见图3）。

图3 基于矢量网络分析仪的介电常数测量

       法布里-珀罗法（或开放式谐振腔法）适用于高精度测量薄膜及样品的各向异性（见图3），测量频率范围为20 MHz~170 GHz，可对介电损耗角正切为0.0001-0.05的低损耗材料进行高精度测量。

       在开放式谐振腔法中，单个谐振腔可覆盖毫米波雷达设备常用的75.6 GHz、79 GHz、81 GHz、170GHz等频率，以及相应的被测材料。此外，安立公司的矢量网络分析仪配备微米级自动控制机制，可根据样品优化谐振频率，进一步提高测量精度。

图4 法布里-珀罗谐振腔法测量系统

表2 法布里-珀罗谐振腔法特性