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://www.pvsm.ru/images/2023/03/14/izmerenie-dielektricheskoi-pronicaemosti-podlojek.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://www.pvsm.ru/images/2023/03/14/izmerenie-dielektricheskoi-pronicaemosti-podlojek-2.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://www.pvsm.ru/images/2023/03/14/izmerenie-dielektricheskoi-pronicaemosti-podlojek-6.png)
2. Измерение на структуре типа «Полуволновые резонаторы»
![Полуволновые резонаторы Полуволновые резонаторы](https://www.pvsm.ru/images/2023/03/14/izmerenie-dielektricheskoi-pronicaemosti-podlojek-7.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://www.pvsm.ru/images/2023/03/14/izmerenie-dielektricheskoi-pronicaemosti-podlojek-8.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://www.pvsm.ru/images/2023/03/14/izmerenie-dielektricheskoi-pronicaemosti-podlojek-9.png)
3. Измерение на структуре типа «Фазовые линии»
![Измерение диэлектрической проницаемости подложек - 10 Измерение диэлектрической проницаемости подложек - 10](https://www.pvsm.ru/images/2023/03/14/izmerenie-dielektricheskoi-pronicaemosti-podlojek-10.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://www.pvsm.ru/images/2023/03/14/izmerenie-dielektricheskoi-pronicaemosti-podlojek-11.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://www.pvsm.ru/images/2023/03/14/izmerenie-dielektricheskoi-pronicaemosti-podlojek-12.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://www.pvsm.ru/images/2023/03/14/izmerenie-dielektricheskoi-pronicaemosti-podlojek-13.png)
Вывод
Все три метода имеют право на существование, однако наиболее достоверно, на мой взгляд, работает метод с диэлектрическими кольцами.
Автор:
RF_Pavel