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»
![Резонансные кольца Резонансные кольца](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/9ed/348/3a6/9ed3483a69284869087aee03eca14ff0.png)
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.
![Внешний вид в модели Внешний вид в модели](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/8ad/463/04d/8ad46304de0456311a26680132be9bfa.png)
Каждое кольцо рассчитано на определённую частоту (4;5;...;11;12 ГГц). Резонансные частоты двухпортового микрополоскового кольцевого резонатора можно рассчитать по уравнению:
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.
![Совпадение резонансов модели и измерений Совпадение резонансов модели и измерений](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/3fd/b15/73c/3fdb1573c41af3bced0b64d538382f4f.png)
2. Измерение на структуре типа «Полуволновые резонаторы»
![Полуволновые резонаторы Полуволновые резонаторы](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/6a8/e30/4c8/6a8e304c849225ae178de7144b01901d.png)
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 измерения и подстроенного под него моделирования](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/903/12f/306/90312f306212fb9b4c33a2f05cd02e96.png)
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 Результаты измерения диэлектрической проницаемости первым и вторым методами](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/25e/a21/944/25ea21944bd4451caca4e1ac7c0fd03a.png)
3. Измерение на структуре типа «Фазовые линии»
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/d61/6f4/c2e/d616f4c2eb81b10197c80783a09d5c68.png)
Данный метод основан на измерении фазовой составляющей S21 после калибровки у двух различных линий на векторном анализаторе цепей (ВАЦ).
![Измерение фазовой характеристики на ВАЦ Измерение фазовой характеристики на ВАЦ](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/6c7/208/13e/6c720813e8a0c91db464964dfb060556.png)
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.
![Программный код в LabVIEW Программный код в LabVIEW](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/254/7fe/eb9/2547feeb997e42cc7dbdab8447d96419.png)
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.
![Разброс значений диэлектрической проницаемости Разброс значений диэлектрической проницаемости](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/4b8/21d/247/4b821d2470931e16d8a088479852e4bc.png)
Вывод
Все три метода имеют право на существование, однако наиболее достоверно, на мой взгляд, работает метод с диэлектрическими кольцами.
Комментарии (4)
Arcanum7
00.00.0000 00:00+2Это не пост.
Это шедевр прикладной научной мысли. Торжество дешевизны и "сердитости".
e-zig
00.00.0000 00:00+1Я так полагаю, что в варианте фазовой линии сложно учесть вносимое влияние разъёмов. Если только учитывать измерения двух разных по длине линий. А вот резонансные измерения самое то, хотя они измеряют только на определённых частотах.
courser
00.00.0000 00:00+1Подобные методы крайне зависимы от точности изготовления тестовых топологий. А она обычно очень далека от идеала. По факту гораздо надёжнее ориентироваться на данные производителя материала.
Ну а если уж такая ситуация, что надо определить какой-то неизвестный материал - я бы взял простейшую ёмкостную структуру с мин. зависимостью от подтравов - например круг + известную индуктивность хорошей точности, и определил бы резонансную частоту на слабой связи. Дальше простейшие расчёты.
dlinyj
Спасибо за прекрасную статью, обязательно пишите ещё. Единственное, на что стоит обратить внимание, хабр — это не научный журнал, тут можно писать от первого лица и взаимодействовать с читателем. И в выводы добавить личное восприятие ситуации.