IEC 631852025 平衡式圆盘谐振器法测量低损耗介质基片复介电常数标准立项发展报告

平衡式圆盘谐振器法测量低损耗介质基片复介电常数标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:MeasurementoftheComplexPermittivityforLow-LossDielectricSubstratesBalanced-TypeCircularDiskResonatorMethod摘要关键词：低损耗介质基片；复介电常数；平衡式圆盘谐振器；国际电工委员会；射频材料测试；标准化Keywords:Low-lossdielectricsubstrates;Complexpermittivity;Balanced-typecirculardiskresonator;IEC;RFmaterialmeasurement;Standardization1引言1.1研究背景介质基片材料是微波电路、天线阵列、滤波器、功分器及各类射频模块的核心构成要素。随着无线通信系统向更高频率、更宽带宽和更低损耗方向持续演进，对介质基片的介电性能提出了日益严苛的要求。尤其是在第五代移动通信（5G）、第六代移动通信（6G）预研、汽车毫米波雷达、低轨卫星互联网及航空航天电子系统等应用场景中，低损耗（低介电正切损耗角）介质基片已成为关键基础材料。典型材料包括聚四氟乙烯（PTFE）基复合板材、液晶聚合物（LCP）薄膜、陶瓷填充复合介质板以及各类低温共烧陶瓷（LTCC）基片等。复介电常数（εr=εr′−jεr″）是表征介质材料电磁特性的核心参数，其实部εr′决定材料的介电储能能力和信号传输速度，虚部εr″则直接反映材料的介质损耗特性。准确测量低损耗材料的复介电常数，不仅关乎材料配方设计与工艺优化的科学判断，更直接影响射频电路设计中的阻抗匹配、损耗预算及热管理分析。在低损耗材料体系中，介质损耗角正切（tanδ）通常低至10⁻³甚至10⁻⁴量级，这对测量方法的灵敏度、分辨率及重复性提出了极高要求。1.2标准立项的必要性长期以来，低损耗介质基片复介电常数的测量方法在国际范围内存在多种技术路径，包括平行板电容器法、传输线法、自由空间法、谐振腔微扰法及介质谐振器法等。不同方法各有优缺点，适用频率范围和测量精度差异显著。国际上虽已有IEC62562（介质谐振器法）和IPCTM-650等测试标准，但在低损耗薄膜和薄基片材料的高频复介电常数精确测量方面，仍缺乏一种兼顾测量精度与样品制备便利性的国际统一标准方法。平衡式圆盘谐振器法是一种针对低损耗薄片介质材料优化的高精度谐振测量方法。其核心优势在于：采用平衡式电路结构有效抑制辐射损耗，结合圆盘谐振器的轴对称模式实现低杂散耦合，从而在宽频范围内获得较高的品质因数（Q值）分辨能力。该方法尤其适用于厚度为0.1mm至数毫米的低损耗介质基片材料，能够在微波频段提供可靠且可重复的复介电常数测量结果。然而，由于该方法涉及精密的谐振器设计、严格的边界条件处理和复杂的模式辨识技术，国际上缺乏统一的技术规范，导致各实验室间的测量结果可比性欠佳。在此背景下，IEC第46技术委员会（电子和电气设备用连接器）下属标准化工作组经过多年研讨与循环比对测试，正式发布IEC63185:2025国际标准。该标准的问世，为全球相关产业提供了一套科学严谨、操作性强的统一测试方法。1.3标准的目的与意义IEC63185:2025的制定旨在实现以下目标：1.统一测量方法：确立平衡式圆盘谐振器法的标准测试流程和技术要求，消除不同实验室间的操作差异；2.提升测量精度与可重复性：通过对谐振器设计、校准程序、数据处理方法及误差来源的系统规范，确保测量结果的准确性和实验室间的一致性；3.服务产业发展：为低损耗介质基片材料的质量评估、批次验收、工艺监控和产品认证提供国际公认的技术依据；4.促进国际贸易与技术交流：推动建立全球统一的材料电性能评价体系，减少技术壁垒，促进材料与器件的国际流通。2标准技术内容概述2.1适用范围IEC63185:2025标准适用于低损耗介质基片材料的复介电常数测量，具体包括：-相对介电常数（εr′）测量范围：典型覆盖1.5～20；-介质损耗角正切（tanδ）测量范围：典型适用于0.0001～0.01（即低损耗至中等损耗）；-频率范围：典型覆盖1GHz～30GHz，具体取决于谐振器尺寸和材料特性；-样品形式：平板状介质基片，厚度通常为0.1mm～5mm，直径或边长需满足谐振器设计的要求；-样品要求：材料应各向同性或可进行各向异性修正，表面应平整、平行，厚度均匀性需满足测试精度要求。2.2测量原理平衡式圆盘谐振器法的基本原理如下：将被测介质基片样品置于两个对称的金属圆盘电极之间，构成一个三明治结构的平衡式圆盘谐振器。该结构通过同轴馈电探针或耦合环激励，激发圆盘谐振器的轴对称横向电磁（TEM）模式或高阶径向模式。平衡式结构设计的关键优势在于：1.辐射损耗抑制：两个金属圆盘构成对称的电磁边界条件，将电磁场有效约束在介质样品内部区域，大幅降低辐射损耗，从而提高了谐振器的无载品质因数（Q₀），增强了对低损耗材料的分辨能力；2.杂散耦合抑制：平衡馈电结构有效抑制了非对称模式的激发，改善了模式纯净度，使测试结果的解析更加清晰；3.边界条件明确：圆盘谐振器的电磁场分布具有严格的理论解析解，便于建立精确的电磁模型进行介电参数反演。测量过程中，通过矢量网络分析仪（VNA）测量谐振器的传输或反射响应，获取谐振频率（f₀）和空载品质因数（Q₀）。基于电磁场理论，谐振频率主要取决于样品的相对介电常数实部（εr′），而品质因数则与介质损耗角正切（tanδ）直接关联。通过建立谐振器尺寸、谐振模式与介电参数之间的数值关系模型（通常结合全波电磁仿真或模式匹配法），即可从测量数据中反演材料的复介电常数。2.3标准主要内容IEC63185:2025标准的主要篇章结构如下：第1章范围：明确标准的适用对象、材料类型和测量范围；第2章规范性引用文件：列出与本标准实施相关的其他国际标准和技术规范；第3章术语与定义：系统定义复介电常数、介质损耗角正切、谐振频率、品质因数、平衡式谐振器等核心术语；第4章测量原理：详细阐述平衡式圆盘谐振器的电磁场理论、谐振模式特性及其与材料复介电常数的关系；第5章测量装置与设备：规定谐振器结构尺寸、材料要求、加工公差、馈电方式、测试夹具及矢量网络分析仪的性能指标要求；第6章样品制备：规定样品的尺寸精度、表面粗糙度、平行度、厚度均匀性等指标要求及制备方法；第7章测量程序：详细规定测试环境条件、校准流程、谐振模式识别方法、谐振频率和品质因数的数据采集与处理方法；第8章复介电常数的计算：给出从谐振频率和品质因数反演复介电常数的具体计算公式、数值求解方法和修正算法；第9章测量不确定度评估：系统分析影响测量结果的各种误差来源（包括尺寸测量误差、谐振频率误差、品质因数拟合误差、环境温湿度波动等），规定不确定度评定的方法与流程；第10章测试报告：规定测试报告应包含的技术信息和数据格式要求。3标准的技术特点与创新3.1高精度与高分辨率平衡式圆盘谐振器法具有显著的高精度优势。在低损耗材料测量领域，测量分辨率取决于谐振器无载品质因数（Q₀）与被测样品损耗的相对关系。得益于平衡式结构对辐射损耗的有效抑制，该方法的等效Q值分辨率可达10⁴～10⁵量级，可准确分辨低至10⁻⁴的介质损耗角正切差异性。与传统介质谐振器法相比，平衡式圆盘谐振器不依赖样品自身的谐振特性，因此适用于常规尺寸薄膜和薄基片材料的测试，大大拓展了可测样品的范围。3.2宽频段适应性通过选择不同直径的圆盘谐振器，该方法可在1GHz至30GHz甚至更高的频率范围内实施测量。谐振器的尺寸-频率比例关系明确，使得标准具有良好的频率扩展柔性。此外，通过激励不同的高阶径向模式，可在同一谐振器上获得多个频点的测量数据，为材料的频散特性表征提供了便利。3.3测量效率与重复性与其他谐振方法相比，平衡式圆盘谐振器法的样品装夹和对位操作相对简便，配合自动化的矢量网络分析仪测量与数据处理程序，可显著提高测试效率。标准对谐振器的加工公差和装配精度给出了明确要求，配合标准化的校准和数据处理流程，可在不同实验室间获得高度一致的测量结果（实验室间重复性通常优于±0.5%的介电常数偏差和±5%的损耗角正切偏差）。4标准参与单位介绍IEC63185:2025标准的制定汇聚了全球多个国家的标准化专家和顶尖研究机构的技术力量。在此，重点介绍该标准制定过程中的关键参与单位之一——日本村田制作所（MurataManufacturingCo.,Ltd.）。村田制作所是全球领先的电子元器件制造商，总部位于日本京都长冈京市，成立于1944年。作为陶瓷电容器（MLCC）、射频滤波器、陶瓷谐振器、介质滤波器及各类无线通信模块的核心供应商，村田制作所在介质陶瓷材料和射频无源器件领域积累了逾七十年的深厚技术底蕴。公司设有专门的材料研发中心和高频测量技术实验室，长期致力于介质材料复介电常数精密测量技术的研究与标准化工作。在IEC63185:2025标准的制定过程中，村田制作所充分发挥了其在平衡式谐振器设计、低损耗陶瓷材料制备及高精度射频测量方面的工程经验与技术积累。该公司技术团队深度参与了标准中谐振器结构尺寸公差、耦合方式选择、模式辨识准则以及复介电常数数值反演算法等核心技术内容的起草与验证工作，并为标准的循环比对测试（round-robintest）提供了基准样品和参考数据。此外，村田制作所还贡献了其在生产线质量管控中积累的丰富测试数据，为标准中测量不确定度评估模型的建立提供了宝贵的实验依据。值得一提的是，村田制作所同时也是IECTC46和TC51（磁性元件和铁氧体材料）的积极成员单位，在多项材料测试国际标准的制修订中发挥着重要作用。其介电材料测试实验室获得了ILAC-MRA互认的校准能力，所出具的测试数据在国际贸易和技术仲裁中具有广泛的采信度。5标准应用前景与影响分析5.1在电子信息产业中的应用价值IEC63185:2025标准的发布，对低损耗介质基片材料全产业链的各个环节均具有重要的指导意义：-材料研发环节：为新材料配方优化提供高精度的介电性能反馈，加速高频低损耗材料的迭代升级；-生产质控环节：为批次一致性评价、在线质量监控和工艺稳定性分析提供标准化的测试手段；-器件设计环节：为射频电路仿真提供可靠的介电参数输入数据，提升设计一次成功率，缩短产品开发周期；-市场流通环节：为供需双方的验收检验和技术仲裁提供统一的测试依据，增强贸易透明度。5.2对5G/6G及卫星通信的支撑作用当前，5G基站天线阵列、毫米波射频前端、卫星通信相控阵天线等系统对低损耗板材的需求持续攀升。以5G基站天线为例，其PCB基材需在3.5GHz和毫米波频段兼具低介电常数和极低的介质损耗。采用IEC63185:2025标准进行材料评价，可确保选材的数据可靠性，避免因测试方法不一致导致的设计偏差。面向6G太赫兹频段的预研需求，该标准所建立的宽频测试框架也为新型低损耗材料的超高频表征奠定了方法论基础。5.3推动自主创新与产业升级该国际标准的发布对我国具有特殊的重要意义。我国是全球最大的PCB基材生产和消费国之一，但高端低损耗覆铜板材料长期依赖进口。通过采用IEC63185:2025并积极参与相关国际标准化活动，有助于国内材料企业建立与国际接轨的测试评价体系，增强高端产品的自主研发能力和国际市场竞争力。同时，国内相关测试仪器制造企业也可依托该标准进行高性能测试系统的开发与产业化，推动测试装备的国产化替代。6结论与展望IEC63185:2025《平衡式圆盘谐振器法测量低损耗介质基片复介电常数》作为国际电工委员会正式发布的权威检测方法标准，系统确立了基于平衡式圆盘谐振器原理的低损耗介质基片复介电常数测量的技术规范。该标准兼顾了测量精度、操作便捷性和工程可实施性，在1GHz～30GHz频段内为低损耗介质基片材料提供了一套科学可靠、国际统一的测试方法。其发布填补了该技术领域国际标准的空白，对推动低损耗介质材料在5G/6G通信、卫星互联网、汽车雷达及航空航天等前沿领域的应用具有重要意义。展望未来，随着无线通信系统持续向更高频率演进以及新材料体系（如超低损耗液晶聚合物、玻璃基板、陶瓷增材制造基片等）的不断涌现，复介电常数测量技术将面临更高频率、更薄样品、更高精度等新的挑战。建议相关研究机构和标准化组织在以下方向持续深化工作：1.扩展频率上限：研究太赫兹频段平衡式谐振器设计与测量方法，为6G技术储备测试能力；2.薄膜与超薄基片适配：开发适用于厚度低于50μm的超薄介质薄膜的专用谐振器结构与修正算法；3.各向异性表征：完善对液晶聚合物等各向异性介质材料的张量介电参数测试方法；4.智能化与自动化：推动测量系统的全自动化和AI辅助的数据处理与误差修正技术，进一步降低人为因素对测量结果的影响。参考文献[1]IEC63185:2025,Measurementofthecomplexpe