ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ФОЛЬГИРОВАННЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ С ПОМОЩЬЮ ПЕЧАТНЫХ СТРУКТУР:

М. М. Мигалин; В. А. Обуховец

М. М. Мигалин Южный федеральный университет
В. А. Обуховец Южный федеральный университет

Ключевые слова: Относительная диэлектрическая проницаемость, SIW–резонаторы, ненагруженная резонансная частота

Аннотация

Рост требований пользователей к скорости обмена данными в телекоммуникационных сис-
темах привел к активному освоению мм-диапазона длин и интенсивному развитию широкополос-
ных систем связи. Проектирование устройств СВЧ мм-диапазона волн с помощью САПР требует
точного описания частотной зависимости диэлектрической проницаемости используемой под-
ложки для сокращения времени разработки устройства. Целью данной статьи является опреде-
ление относительной диэлектрической проницаемости фольгированного диэлектрика Rogers
3003G2 в мм-диапазоне длин волн. Для нахождения диэлектрической проницаемости был исполь-
зован как нерезонансный, так и резонансный методы. Автоматизации процесса обработки дан-
ных измерений была достигнута с помощью разработанного скрипта в пакете MATLAB. Приме-
нив метод разности фаз, заключающийся в применении двух микрополосковых линий разной длины,
была определена относительная диэлектрическая проницаемость фольгированного диэлектрика в
полосе 1–42 ГГц. Для отказа от использования зондовой станции с хрупкими зондами для измере-
ний S–параметров в мм-диапазоне длин были разработаны SIW–резонаторы с волноводным воз-
буждением. Применив три прототипа многомодовых SIW–резонаторов, была найдена относи-
тельная диэлектрическая проницаемость исследуемого диэлектрика в диапазоне 60–170 ГГц.
Во избежание неоднозначности при определении номера продольной моды в SIW–резонаторах был
разработан набор одномодовых SIW – резонаторов с различной величиной связи с возбуждающим
волноводом. Варьируя длину возбуждающих щелей в SIW – резонаторах, были получены нагружен-
ные резонансные частоты, по которым была определена ненагруженная резонансная частота,
использованная для нахождения относительной диэлектрической проницаемости фольгированно-
го диэлектрика. В заключении работы даны рекомендации по разработке SIW–резонаторов для
определения свойств диэлектриков.

Литература

1. Wang C., Liu X., Huang Z., Yu S., et al. A Sensor for Characterisation of Liquid Materials with High
Permittivity and High Dielectric Loss, Sensors, 2022, 22, 1764. DOI: 10.3390/s22051764.
2. Shiheng H., Huang J. A Novel Substrate Integrated Waveguide Shorted Coaxial Resonator for Characterizing
Complex Permittivity of Liquids and Solid Content of Water-based Ferrofluid, IEEE Sensors
Journal, 1 July, 2024, Vol. 24, No. 13, pp. 20549-20558. DOI: 10.1109/JSEN.2024.3399323.
3. Vergnano A., Godio A., Raffa CM., et al. Open-Ended Coaxial Probe Measurements of Complex Dielectric
Permittivity in Diesel-Contaminated Soil during Bioremediation, Sensors, 2020, 20 (22):6677.
DOI: 10.3390/s20226677.
4. Zha J.W., et al. Polymer-based dielectrics with high permittivity for electric energy storage: A review,
Nano Energy, 2021, 89, 106438.
5. Takenori K., et al. Material design and high frequency characterization of novel ultra-low loss dielectric
material for 5G and 6G applications, 2021 IEEE 71st Electronic Components and Technology
Conference (ECTC). IEEE, 2021, pp. 538-543.
6. Krupka J., Pacewicz A., Kopyt P., Salski P. Measurements of the complex permittivity of low loss
ferrites at millimeter wave frequencies, Materials Research Bulletin, 2024, Vol. 179, pp. 112994.
DOI: 10.1016/j.materresbull.2024.112994.
7. Mosavirik T., Hashemi M., Soleimani M., et al. Accuracy-Improved and Low-Cost Material Characterization
Using Power Measurement and Artificial Neural Network, IEEE Transactions on Instrumentation
and Measurement, Vol. 70, pp. 1-9, 202. DOI: 10.1109/TIM.2021.3126011.
8. Chen L.F., Ong C.K., Neo C.P., Varadan V.V., Varadan V.K. Microwave electronics. Measurements
and materials characterization. John Wiley & Sons, 2004, 552 p.
9. Belov Yu.G., Kuzheleva A.A., Nefed'ev I.A. Tsilindricheskiy rezonator dlya izmereniya parametrov dielektricheskikh
plastin [Cylindric resonator for dielectric slabs characterisation], Informacionnye sistemy i
tehnologii [Information systems and technologies], Sbornik materialov XXV Mezhdunarodnoy nauchnotekhnicheskoy
konferentsii [Proceedings of the XXV international conference], 2019, pp. 199-204.
10. Krupka J. Measurements of the Complex Permittivity of Low Loss Polymers at Frequency Range From 5
GHz to 50 GHz, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2016, Vol. 26, No. 6, pp. 464-466.
11. Marqués-Villarroya D., et al. Enhanced Full-Wave Circuit Analysis for Modeling of a Split Cylinder Resonator,
IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2017, Vol. 65, No. 4, pp. 1191-1202.
12. Possenti L. et al. Improved Fabry-Pérot electromagnetic material characterization: Application and
results, Radio Science, Nov. 2020, Vol. 55, No. 11, pp. 1-15. DOI 10.1029/2020RS007164.
13. Naoki H., et al. Measurement technique for interface and surface conductivities at millimeter-wave
frequencies using dielectric rod resonator excited by nonradiative dielectric waveguide, IEEE Transactions
on Microwave Theory and Techniques, 2022, 70.5, pp. 2750-2761.
14. Walia G., Laforge P. D., Azam S., Paranthaman R. Dielectric Characterization Using Reflected Group
Delay of a Partially Filled Coaxial Resonator, IEEE Access, 2024, Vol. 12, pp. 123581-123594. DOI:
10.1109/ACCESS.2024.3453658.
15. Alahnomi R.A., Zakaria, Z., Yussof Z.M., et al. Review of Recent Microwave Planar Resonator-Based
Sensors: Techniques of Complex Permittivity Extraction, Applications, Open Challenges and Future
Research Directions, Sensors, 2021, 21, 2267. DOI: 10.3390/s21072267.
16. Khair N.S, Yusof N.A.T, Wahab Y.A., et al. Substrate-integrated waveguide (SIW) microwave sensor
theory and model in characterising dielectric material: A review, Sensors International, 2023, Vol. 4,
pp. 100244. DOI: 10.1016/j.sintl.2023.100244.
17. Nahid A.A., et al. Characterization of alumina ribbon ceramic substrates for 5G and mm-wave applications,
IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 2022, 12.9,
pp. 1432-1445.
18. Liu X., Gan L., Yang B. Millimeter-wave free-space dielectric characterization, Measurement, 2021,
Vol. 179, pp. 109472. DOI: 10.1016/j.measurement.2021.109472.
19. Kok Yeow Y., Goudos Sotirios K. Materials characterization using microwave waveguide system, Microwave
systems and applications, 2017, pp. 341-358.
20. Das N.K., Voda S.M., Pozar D.M. Two Methods for the Measurement of Substrate Dielectric Constant,
IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, July 1987, Vol. 35, No. 7, pp. 636-642.
21. Gusev Yu. A. Osnovy dielektricheskoy spektroskopii: ucheb. posobie [Foundations of dielectric spectroscopy:
textbook]. Kazan': Kazan. gos. un-t, 2008, 112 p.
22. Dmitriev-Zdorov V., Simonovich B., Kochikov I. A causal conductor roughness model and its effect on
transmission line characteristics, Proc. DesignCon., 2018, pp. 1-31.
23. Wang H. B., Cheng Y. J. Broadband Printed-Circuit-Board Characterization Using Multimode Substrate-
Integrated-Waveguide Resonator, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,
June 2017, Vol. 65, No. 6, pp. 2145-2152.
24. Garg R., Bahl I., Bozzi M. Microstrip lines and slotlines. Norwood: Artech house, 2013, 560 p.
25. RO3003G2 Laminates. RO3003G2 Laminates Data Sheet. Available at: https://www.rogerscorp.com/
advanced-electronics-solutions/ro3000-series-laminates/ro3003g2-laminates (accessed 30 September 2024).
26. Yan L., Hong W., Hua G., et al. Simulation and experiment on SIW slot array antennas, IEEE Microwave
and Wireless Components Letters, Sept. 2004, Vol. 14, No. 9, pp. 446-448. DOI:
10.1109/LMWC.2004.832081.
27. Canós, A.J., Catalá-Civera, J.M., Penaranda-Foix F.L., Reyes-Davo E. A novel technique for
deembedding the unloaded resonance frequency from measurements of microwave cavities, IEEE
transactions on microwave theory and techniques, 2006, 54 (8), pp. 3407-3416.
28. Kajfez D. Q Factor Measurements Using MATLAB. Norwood: Artech house, 2011, 189 p.