III. Результаты измерений

Измерение относительной диэлектрической
проницаемости подложек СВЧ резонаторным
Ф.В. Саврасов,
А.Ю. Дёмин, В. В. Гринемаер
методом
А.Ф.Копылов, Ю.П.Саломатов, А.А.Сенченко
Проведены
экспериментальные
исследования
величины
относительной
диэлектрической проницаемости подложек из поликора, широко используемых для
реализации СВЧ устройств. Для этих исследований разработана измерительная конструкция,
основным элементом которой является микрополосковый измерительный резонатор,
настроенный на частоту 1 ГГц. Резонатор выполнен на тонкой (0,1 мм) лавсановой подложке с
собственным значением относительной диэлектрической постоянной около 2. Получены
значения коэффициентов укорочения электромагнитной волны в микрополосковой линии
передачи. Результаты сравнены с коэффициентом укорочения, полученным на основе
паспортного (от производителя) значения относительной иэлектрической проницаемости.
Также проведены измерения значения относительной диэлектрической проницаемости
ёмкостным (импедансным) методом на приборе E4991A-002 фирмы Agilent Technologies.
Коэффициенты укорочения, полученные при использовании прямоугольного резонатора
(среднее значение 2,434), показывают значения относительной диэлектрической
проницаемости поликоровых подложек значительно меньшие, чем при использовании
паспортных данных (3,1) и измеренных импедансным способом (3,215). Полагается, что такие
различия обусловлены тем, авторы проводили измерения в условиях реальной резонансной
конструкции (при наличии дополнительных ёмкостных связей резонатора с металлическим
основанием помимо измеряемой подложки).
Ключевые слова: относительная диэлектрическая проницаемость подложек; микрополосковый
измерительный резонатор; коэффициент укорочения электромагнитной волны в микрополосковой линии
передачи.
Key words: relative dielectric constant of dielectric plates; microstrip measuring resonator; the shortening factor
for electromagnetic waves in microstrip lines.
Ключевые слова: Мобильный терминал, контрольная зона, узловая точка, угол отклонения.
Key words: Mobile terminal, control zone, node point, angle of deviation.
I.
ВВЕДЕНИЕ
Несмотря на то, что современной тенденцией в развития микроволновой (СВЧ) техники
является массовый переход от гибридных интегральных схем (ГИС) СВЧ к монолитным
интегральным схемам (МИС), многие задачи, возникающие при построении СВЧ
устройств различного функционального назначения, всё ещё могут быть успешно решены
путем использования традиционной техники ГИС СВЧ. Это характерно для СВЧ техники
дециметрового и сантиметрового диапазонов длин волн, где размеры элементов длинных
линий в свободном пространстве весьма велики, что требует использования в качестве
конструктивной основы ГИС СВЧ подложек с достаточно большой величиной
относительной диэлектрической проницаемости  r . При выполнении настоящей работы
была поставлена цель разработки и реализации быстрого и дешевого метода измерения
величины  r для реализации функции входного контроля диэлектрических подложек типа
«поликор» при малосерийных применениях в производстве ГИС СВЧ.
II. МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ И ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА
При разработке технологии измерения величины диэлектрической проницаемости
поликоровых подложек, нами руководило понимание того, что при реализации СВЧ
устройств разработчику требуется знание не самой величины относительной
диэлектрической проницаемости подложки  r , находящейся в его распоряжении, а знание
величины коэффициента укорочения электромагнитной волны в линии передачи,
реализуемой на этой подложке, можно не измерять напрямую значение  r , а использовать
для практических разработок величину «коэффициента укорочения» электромагнитной
волны в линии передачи – это есть величину квадратного корня из эффективной
диэлектрической проницаемости  эфф , показывающей, во сколько раз уменьшается длина
электромагнитной волны в линии относительно длины в свободном пространстве. Для
определения коэффициента укорочения
 эфф , на наш взгляд, наиболее эффективен
резонаторный способ измерения, основанный на изменения резонансной частоты
измерительного резонатора при внесении в систему материала с иными, чем в
первоначальной системе, электрическими или магнитными свойствами.
Вначале диэлектрическая проницаемость εAg подложек из поликора была определена
нами импедансным (ёмкостным) методом с использованием прибора E4991A-002
производителя Agilent Technologies. Результаты показали, что измерения существенно
зависят от силы зажима образца в измерительной системе и существенно отличаются от
паспортных данных на измеряемые подложки. В связи с этим, было решено выполнить
измерения коэффициента укорочения  эфф резонаторным методом вместо измерения
величины εAg. Для проведения таких измерения была разработана установка, содержащая
измерительный резонатор, установленный на основание и прижимаемый тарированным
грузом к измеряемой подложке. Резонатор имел прямоугольную форму и выполнялся по
принципу кольцевого для исключения влияния на результаты измерения концевых
ёмкостей (см. рис. 1, размеры даны в миллиметрах). Резонатор был выполнен на
фольгированном лавсане ЛФР 50-018 толщиной 0,1 мм и собственной относительной
диэлектрической проницаемостью около 2, что существенно ниже ожидаемого значения
измеряемой проницаемости (для поликора, по паспортным данным, эта величина должна
составлять 9,61). Резонансная частота измерительного резонатора при этом была выбрана
равной 1 ГГц (таков частотный предел ёмкостного метода, реализованного в приборе
E4991A-002 фирмы Agilent Technologies). Измерения резонансной частоты измерительного
микрополоскового резонатора проводились на скалярном анализаторе цепей Р2М-04
производства ЗАО «НПФ «Микран» (г. Томск). При проведении измерений груз на
резонатор устанавливался таким образом, чтобы резонансная частота была как можно
ниже. В этом случае резонатор будет в наибольшей степени равномерно плотно прилегает к
поверхности измеряемой подложки и прослойка воздуха между ними становится
минимальной. Таким образом, как мы рассчитываем, при данном положении груза на
резонаторе получаемое значение резонансной частоты будет наиболее близко к истинному.
Измерительная установка показана на фотографии рис. 2. Она содержит: 1 – основание;
2, 3 – входной и выходной коаксиально-полосковые переходы; 4 – измерительный
резонатор, под который помещена измеряемая поликоровая подложка (на фото не видна); 5
– опоры основания; 6 – направляющие шпильки для установки грузов, прижимающих
измерительный резонатор к измеряемой поликоровой подложке и металлическому
основанию.
Электромагнитная связь между коаксиально-полосковыми переходами и измерительным
резонатором при проведении измерений устанавливается весьма малой, так что прямые
потери при прохождении сигнала на резонансной частоте составляют 15-20 дБ.
4
6
0,5
6
0,25
22
3
2
1
40
Рис. 1. Топологический рисунок
измерительного резонатора
5
Рис. 2. Измерительная установка
III. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Для определения величины коэффициента укорочения электромагнитной волны в
поликоровой подложке Ky =
 эфф , измерялась резонансная частота измерительного
резонатора, которая принималась равной частоте с максимальной амплитудой
коэффициента передачи S21. При этом измерительный резонатор механически прижимался
к измеряемой поликоровой подложке и основанию путем установки на эту конструкцию
груза весом около 1 кГ для уменьшения воздушных зазоров к этой конструкции.
После измерения резонансной частоты, можно рассчитать коэффициент укорочения
Ky, основываясь на результатах эксперимента. Этот коэффициент численно равен корню из
эффективной диэлектрической проницаемости и для резонансной частоты, например
равной fр = 938,2 МГц, составит:
c
3  108
K у   эфф 

 2,461 ,
(1)
f р п 983,2  106  124  103
где c – скорость света в вакууме, fр – резонансная частота, λп – длина волны в резонаторе,
численно равная его длине, рассчитанной по средней линии металлической полоски.
Всего было измерено 8 поликоровых подложек номинальной толщиной 0,5 мм из
различных партий поставки. Для каждой из этих подложек были проведены измерения
следующих параметров:
- на резонансной измерительной системе измерены значения резонансной частоты для
каждой из 8-ми поликоровых подложек, fр МГц;
- также для каждой из 8-ми поликоровых подложек на частоте измеренного ранее
резонанса fр были измерены микрометром толщины этих подложек tп в мкм, а затем с
учетом этих толщин, были измерены значения относительной диэлектрической
проницаемости εAg на приборе Agilent E4991A-002.
В табл. 1 для каждой из 8-ми измеряемых подложек приведены следующие результаты
измерений: резонансных частот fр измерительного резонатора с установленными под ним
поликоровыми подложками; коэффициентов укорочения электромагнитной волны в
поликоровых подложках Ky =  эфф , рассчитанных по выражению (1); величин  эфф ,
взятых как квадрат величины
 эфф ; величин εAg, измеренных на приборе Agilent E4991A-
002; а также толщин подложек tп, измеренных микрометром.
Таблица 1
№ положки
fр, МГц
Kу, раз
εэфф, отн. ед.
εAg,отн. ед.
tп, мкм
1
1003,2
2,412
5,816
10,55
475
2
986,4
2,453
6,016
10,18
490
3
994,4
2,433
5,919
10,07
480
4
992,8
2,437
5,938
10,25
470
5
998,8
2,422
5,867
10,50
482
6
989,6
2,445
5,977
10,26
490
7
993,6
2,435
5,929
10,67
490
8
993,6
2,435
5,929
10,25
492
Как видно из сравнения между собой величин  эфф , полученных резонаторным методом
и величин εAg, измеренных на приборе Agilent E4991A-002, несоответствие между этими
результатами является практически двукратным. Столь существенные различия между
результатами, полученными нами и результатами, полученными при использовании
импедансного метода на измерителе Agilent E4991A-002, а также слабым соответствием
этих результатов паспортным данным, на наш взгляд, объясняются следующим. Нами
использована конструкция измерительного резонатора, обладающего совершенно
определенными конструктивными данными, в частности весьма небольшой шириной
металлической полоски (см. рис. 1), всего около 0,5 мм, что соответствует волновому
сопротивлению МПЛ 50 Ом при использовании поликоровой подложки толщиной около
0,5 мм. Естественно, что структура электромагнитного поля в такой относительно узкой
МПЛ существенно отличается от структуры электромагнитного поля при использовании
импедансного метода в приборе Agilent E4991A-002, где измерения проводятся не для
линии передачи, а для плоского конденсатора. При этом совершенно естественным
является то, что полученные нами с помощью измерительного резонатора результаты
показывают существенно меньшие значения величины  . Сравнивать же результаты
измерения величины  резонаторным методом и импедансным методом с использованием
прибора Agilent E4991A-002 с паспортными данными, на наш взгляд, некорректно, так как
нам не известен способ измерения, используемый при производстве подложек.
IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Нам представляется, что показанный в настоящей работе вариант использования
резонаторного метода измерения относительной диэлектрической постоянной поликоровых
подложек через коэффициент укорочения электромагнитной волны в МПЛ, вполне
пригоден для использования в качестве простого и дешевого метода экспресс-измерения
при малосерийном производстве ГИС СВЧ на таких подложках.
Сведения об авторах:
Копылов Алексей Филиппович, 1954 г.р., кандидат технических наук, доцент кафедры «Радиотехника» Сибирского
федерального университета (СФУ), E-mail: kopaph@yandex.ru. Область научных интересов: техника и технология различных
СВЧ устройств, их моделирование и реализация.
Саломатов Юрий Петрович, 1950 г.р., кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Радиотехника» (СФУ), Email: ysalomatov@sfu-kras.ru. Область научных интересов: техника и технология СВЧ устройств, антенн и антенных систем.
Сенченко Александр Aндреевич, магистрант Института инженерной физики и радиоэлектроники (ИИФ и РЭ) Сибирского
федерального университета (СФУ), E-mail: kopaph@yandex.ru.