Главная

Измерение диэлектрической проницаемости подложек

2023-03-14 в 6:03, admin, рубрики: Без рубрики

Существует постоянная потребность в точном измерении магнитных и диэлектрических свойств твердых материалов. Разработано множество методов измерения диэлектрической проницаемости. Эти методы включают методы свободного пространства, методы коаксиального зонда с открытым концом, объемные резонаторы и другие. Одним из популярных является волноводный метод, в котором внутри волновода помещается образец материала, измеряются S-параметры, а затем обрабатываются результаты по различным алгоритмам.

Цель статьи состоит в том, чтобы рассмотреть и оценить три различных метода определения диэлектрической проницаемости на микрополосковых линиях.

1. Измерение на структуре типа «Резонансные кольца»

Диэлектрическая проницаемость может быть определена с помощью конструкции двухпортового кольцевого резонатора, которая включает линии питания, замкнутый контур линии передачи и зазоры связи (0.1мм) между ними.

Каждое кольцо рассчитано на определённую частоту (4;5;...;11;12 ГГц). Резонансные частоты двухпортового микрополоскового кольцевого резонатора можно рассчитать по уравнению:

$2pi r=nlambda _{eff}$ $lambda _{eff}=frac{lambda }{sqrt{varepsilon _{eff}}}$

где r — средний радиус кольца, n — номер гармоники (брать единицу), λeff — длина волны в структуре.

Каждое кольцо отдельно моделируется в MWO AWR. Затем в модели подбирается такая диэлектрическая проницаемость, при которой резонансы модели и измерений совпадут.

Для расчета размеров структуры (кольца) необходимо учитывать эффективную диэлектрическую постоянную, которая влияет на длину волны в резонаторе.

$varepsilon_{eff}=frac{varepsilon_{r}+1}{2} + frac{varepsilon_{r}-1}{2}left [(1+12(frac{H}{W})) ^{-frac{1}{2}} right ]$

Совпадение резонансов модели и измерений

2. Измерение на структуре типа «Полуволновые резонаторы»

Название структуры говорит само за себя. Открытый полуволновый шлейф - это эквивалент короткого замыкания на СВЧ. Принцип измерения проницаемости схож с предыдущим. Определяется резонансная частота и проницаемость в модели подстраивается до совпадения с измерениями.

Результаты измерения и подстроенного под него моделирования

Результаты первого и второго методов показаны на рисунке ниже. Результаты удовлетворительные, разработчик аналога диэлектрической подложки (Rogers RO4350B) рекомендует для моделирования брать завышенное значение диэлектрической проницаемости примерно на 5%.

Результаты измерения диэлектрической проницаемости первым и вторым методами

3. Измерение на структуре типа «Фазовые линии»

Измерение диэлектрической проницаемости подложек - 10

Данный метод основан на измерении фазовой составляющей S21 после калибровки у двух различных линий на векторном анализаторе цепей (ВАЦ).

Зная физическую длину двух линий и разность фаз, можно вычислить эффективную диэлектрическую проницаемость материала. А по ней вычислить и проницаемость самого материала. Моделирование в данном способе производить не нужно. Была написана в LabVIEW небольшая программа, которая вычисляет проницаемость, зная разницу фаз и физические размеры структур.

Разброс значений получается довольно большой, видимо, ввиду высокой чувствительности к измерению физической длины. Особо хочется отметить, что чем меньше разница в длине двух выбранных линий, тем хуже точность определения проницаемости. Лучше использовать две линии "сильно" отличающиеся по длине.