הבנת המורכבות של חומרים דיאלקטריים עבור יישומים מיקרוגל

מה זה מורכבות Permittivity?

מותרות מורכבת, לעתים קרובות מלוטשת כ-FLT:0. . . . .1 (כוכב גרפיטילון), היא נכס חומרי בסיסי המתאר כיצד חומר דיאלקטרי מגיב לשדה אלקטרומגנטי מוחל.בהנדסת מיקרוגל, הבנת הנכס הזה הוא קריטי כי הוא קובע כיצד גלי אלקטרומגנטית propagate, לשקף, ולהאריך בתוך אמצעי.

מבחינה מתמטית, הרשאות מורכבות מובעות כ:

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

(ב) [17] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

החלק האמיתי ⁇ משפיע ישירות על מהירות השלב של גל נודד דרך החומר: ⁇ גבוה יותר מאט את הגל, אשר בתורו מקטין את אורך הגל ומשנה את האימפולס האופייני של קווי שידור. החלק הדמיוני חשבונות עבור חימום דיאלקטרי ודימום אות, מה שהופך אותו פרמטר מפתח בעיצוב של מעגלים שבו ניהול תרמי ואמינות הם קריטי.

הרשאות מורכבות אינן קבועות; זה משתנה עם תדירות, טמפרטורה, לחות, ורכב חומרי. עבור יישומי מיקרוגל, זה בדרך כלל נמדד בטווח התדר של 1 MHz ל 100 GHz ומעבר. מהנדסים מסתמכים על נתונים מדויקים, רחבים המאפשרים לבחור substrates, עיצוב רשתות ללא תחרות, וחיזוי הביצועים של רכיבים כגון אנטנה, מסננים, ו resonators.

Polarization Mechanisms and Frequency

ההתנהגות של רשיונות מורכבת מקורה מנגנונים שונים של קיטוב בתוך החומר הדיאלקטרי. כל מנגנון תורם ל ⁇ ו ⁇ בלהקת תדר מסוימת, המוביל לפיזור ופסגות ספיגה אופייניות.

אלקטרוניקה Polarization

הקיטוב האלקטרוני עולה מן העקירה של עננים אלקטרונים ביחס לגרעין האטומי תחת שדה חשמלי.מנגנון זה הוא כמעט מיידי ונשאר פעיל בתדרים אופטיים ( ⁇ 1015 Hz) בתדרי מיקרוגל, הקיטוב תורם מרכיב קבוע, קטן ל- ⁇ ולא הפסד, שכן התגובה מהירה מדי כדי לגרום לגיטרה משמעותית.

Ionic Polarization

ב גבישים איטוניים (למשל, קרמיקה כמו אלומיניום או מגנזיום תחמוצת), השדה החשמלי מקטין בצלים חיוביים ושליליים יחסית זה לזה.קוטב איטוניזציה מתחדש בתדרים ב terahertz וטווח מרוחק, אבל הזנב שלו משתרע לתוך אזור הגלים של מילימטר. במיקרוגל, מנגנון זה מוסיף תרומה תלויה תדירות לכדי אובדן רחוק, בתנאי הניקודד, בתנאי שריד, הוא מופעל על ידי השבר.

Diקוטב (Orientation) Polarization

די קוטביות מתרחשת בחומרים עם dipoles מולקולריים קבועים, כגון מים, פולימרים (למשל, PTFE, PTFE, epoxy), וקרמיקה הקוטבית.כאשר שדה חשמלי מוחל, דיפולנים מנסים לסובב וליישר עם השדה.סיבוב זה מעכב על ידי תנועה צלולה וחיכוך פנימי, המוביל לתהליך הרפיה תלוי בתדר.

Space-Charge (Interfacial) Polarization

קיטוב מטען חלל עולה מן הצטברות של נושאי מטען בממשקים או גבולות דגנים בחומרים הטרוגניים, כגון מסובכים או קרמיקה עם הכללות התנהגותיות.מנגנון זה חשוב בתדרים נמוכים (בדרך כלל מתחת 1 MHz) אבל יכול להשפיע על תכונות מיקרוגל ב ⁇ או דיאלקטריות בלתי מאוישות.

הבנת מנגנונים אלה מסייעת למהנדסים לחזות כיצד ההיתר של החומר ישתנה עם תדירות וטמפרטורה.לדוגמה, קרמיקה מיקרוגל נמוכה (למשל, Ba2Ti9O20) נועדו לדכא הפסדי מטען די קוטביים ומרחביים, השגת אישור על סדר של 30-80 עם אובדן טאנגנטים מתחת 10-4.

משמעות במיקרוגל יישומים

הרשאות מורכבות שולטות ישירות בביצוע האלקטרומגנטי של כל רכיב מיקרוגל המשתמש בחומר דיאלקטרי.החלק האמיתי ⁇ קובע את ה-FLT:0 יעיל dielectrical FLT:1 של קווי שידור (מיקרוסטריפ, פס, קונדר גל גל גל מונח), אשר בתורו קובע את השלב, מהירות אופיינית, ואורך פיזי של אלמנטים.

החלק הדמיוני ⁇ (או אובדן טנgent) שולט ב-FLT:0 (הפסדים חשמליים) FLT:1 [ביישומים בעלי עוצמה גבוהה, אפילו ⁇ קטנה יכול לגרום חימום משמעותי, צמצום האמינות ודרישות ניהול תרמי.בחזית המקלט, הפסדים דיאלקטריים להוסיף ישירות לאפקט הרעש.לכן, בחירה חומרית היא ניתוק בין השגת סיבולת הרצויה (למשל, עבור אנטנות נמוכה) עבור אנטנות נמוכה (למשל, עבור אנטנות).

השפעה על סוגים ספציפיים של מכשירים

• (FLT:0) Antennas:FLT:1 עבור אנטנה על תת-קרקעי, ⁇ קובע את שדות המצוק ואת אורך resonant. A גבוה יותר ⁇ מכווץ את גודל האנטנה אבל מקטין רוחב פס ויעילות קרינה.ההפסד שיזוף משפיע על רווח האנטנה; חומרים כמו רוג'רס R4003C ( ⁇ 3.38, ⁇ ⁇ 0.00 הם סחר פופולרי.
• (FLT:0 resonators & מסננים: ⁇ F1) Dielectric resonators (למשל, במסננים של חלל) מסתמכים על ⁇ גבוה ונמוך מאוד כדי להשיג גבוה Qfactors. Ceramics עם ⁇ =30-90 ו-Tit= 10-4 - 10-5 מאפשר מסננים נמוכים לתחנות תקשורת.
• (FLT:0) ו-Wave guides:FLT:1ve dielectric-מלאי גל מוקטן את תדירות הקיצוץ ומאפשר למיניטוריזציה, אך אובדן דיאלקטרי מגביר את ההפחתה. מהנדסים חייבים לאזן את ההפחתה בגודל נגד אובדן אותות, לעתים קרובות באמצעות חומרים דלים כמו פוליטוריון או PTFE.
• (FLT:0) MMICs: MMICs: MMICs: MMICs: MMICs: MMICs: MMICs: MMICs: MMICs: MMICs: MMICs: MMICs: 9.9 עבור אלומיניום) ואובדן נמוך. Permittivity וריאציות על פני צירים או הרבה יכול לגרום להפסדים; כך ספקים חומריים לספק נתונים הדוקים.
• (FLT:0)Radomes: FLT:1 חומרים Radome חייב להיות ⁇ קרוב ל 1 ככל האפשר (משקפת נמוך) ואובדן נמוך כדי למנוע השפלה. Quartz-phenolic Complexs ו resins ester cyanate הם נפוצים שבו יש צורך כוח מכני ושקיפות אלקטרומגנטית.

בכל היישומים האלה, ידע מדויק של הרשאות מורכבות בתנאי הפעלה (טמפרטורה, לחות, תדירות) הוא חיוני.ערך גליון נתונים בטמפרטורת החדר ו 10 GHz עשוי להיות לא מספיק אם המכשיר פועל ב 50 מעלות צלזיוס ו 28 GHz.

שיטות מדידה למורכבות Permittivity

קביעת הרשאה מורכבת עם דיוק גבוה היא שדה מיוחד.טכניקות מרובות פותחו, כל אחד עם נקודות חוזק ומגבלות לגבי טווח התדר, צורה מדגם, דיוק, וקלות השימוש.

שיטות עבודה

בשיטות חלליות חוזרות ונשנות, מדגם קטן של הדיאלקטרי ממוקם בתוך חלל מתכתי (למשל, מלבני או צילינלי) התומך במצב מהדהד ידוע.על ידי מדידה השינוי בתדירות חוזרת והשינוי ב- Q-factor (או רוחב פס) עם וללא הדגימה, הן ⁇ ו- ⁇ ניתן לחלץ זאת היא מאוד מדויקת ( 1.5%) עבור GHz בלבד, אך ורק 10 GHz של ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

קואקסיאלי Probe

בדיקה פתוחה (או "צורה לימוזינה") היא טכניקת פס רחב (בדרך כלל 0.2 GHz עד 50 GHz) המדידה את ההשתקפות (S11) של קו קו קואקסיאלי שהופסק על ידי חומר הדגימה: בדיקה 1 LT2 היא לחץ נגד מדגם שטוח, עבה, ואת ההיתר המורכב הוא משלב נמדד וגודלה של שיטה זו היא נמוכה יותר עבור ⁇ 25% ⁇ F) עם ⁇ נמוך יותר מאשר ⁇ (avicial) עם ⁇ 2.

שיטות קו Transmission Line

בשיטות שידור, מדגם של dielectric ממוקם בתוך קטע של גל מונח או קו קו קו קואקסיאלי, ואת הפרמטרים הפיזור (S11, S21) נמדד עם מנתח רשת וקטור (VNA) ה Nicolson-Ros-Weir (NRW) משמש בדרך כלל כדי לחלץ חומרים ⁇ ו ⁇ מ S- ⁇ מ S- ספקטרום נתונים על תדירות רחב (למשל, 8 גרם מדרגות נמוך עבור גל נמוך מאוד, אבל זה, ירידה גבוהה).

שיטות חופשיות לחלל

טכניקות חלל חופשיות משתמשות אנאנטנות (למשל, אנטנה קרנית) לשדר ולקבל גל מטוס באמצעות סלאב שטוח של חומר דיאלקטרי.התמסורת ואפקטי השתקפות נמדדים בסביבה אנכוכית, ואת ההיתר מחושב באמצעות חומר מדד S-parameters. שיטה זו אינה מגע מתאימה לטמפרטורה גבוהה או במדידות מתאימות; היא יכולה גם להיות מיודות גדולות יותר, אך ורק לאחר מכן, חומרים מדויקים, אך ורקמות, אך ורקמות, אך ורק לאחר מכן, הם משתמשים בהם שימוש בחומרים מדויקים, אך ורקמות, אך ורק בגלים מדויקים.

גורמים המשפיעים על הסכם המדידה

ללא קשר לטכניקה, יש לשלוט במספר גורמים על מנת לקבל מידע המאפשרי אמינות:

• (ב) טוהר וגאוגניות: ⁇ 1 (בשיתוף: 1), רִיקִים, או לחות יכולים לשנות באופן דרסטי תוצאות.
• (ב) ⁇ :0) , ⁇ (ב) ,ב"ד: 1) , או פערי אוויר בין הדגימה לבין תיקון הניסוי מציג שגיאות שיטתיות.
• (ב) ל[[1924]] ו[[1924]]]]]], [[1924]]]]]] ו[[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]
• (ב) רזולוציה של שקיפות ו calibration:REFLT 1:1 VNA calibration (SOLT, TRL) ותיקון של ריצוף הם חיוניים עבור פרמטרים מדויקים.
• (ב) ⁇ :0) דיוק של יקומך: 1 ב-FLT (בשיטות קו שידור), שגיאות קטנות בדגימה עובי propagate לתוך שגיאות גדולות ב ⁇ ו- ⁇ .

סקירה מקיפה של תקני מדידה מסופקת תקן IEEE Standard 1129-1998 (הופנה מהדף מדד Permittivity of Solid Materials).

גורמים המשפיעים על מורכבות

כדי לעצב מערכות מיקרוגל אמינות, מהנדסים חייבים להסביר כיצד הורשה משתנה עם הסביבה והמצב החומרי.

טמפרטורה תלות

הן ⁇ ו ⁇ בדרך כלל להשתנות עם טמפרטורה. עבור קרמיקה רבים, את הטמפרטורה coefficient של הכדאיות (TCε) הוא קטן ויכול להיות מותאם באמצעות הרכב (למשל, ליד אפס TC ב dielectrics לוח טמפרטורה כמו (Zr,S) TO4). פולימרים עשויים להציג שינויים גדולים יותר; למשל, PT's ⁇ s מופחת על ידי כ 0.4% הפסדיפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטומטי.

תמימות ו Humidity

למים יש ⁇ גבוהה (-80) והפסד גדול בטווח המיקרוגל. Absorbed לחות ב epoxy-glass laminates (למשל, FR-4 יכול להגדיל ⁇ מ 4.2 עד 4.8 ולהגדיל את טנגן פי עשרה, גרימת אי התאמה חמורה ועצימה חמורה. Sealed hermetic חבילות או ציפוי הידרופובי משמשים כדי להגן על מעגלים רגישים.

תדירות הדיספרסיון

כפי שנדון בסעיף הקיטוב, ⁇ נוטה לרדת עם תדירות הולכת וגוברת באזורי הרפיה, בעוד ⁇ שיא ליד תדירות הרפיה. מהנדסים חייבים להשתמש בנתונים של הרשאות בתדר התפעול המדויק, לא רק ב- DC או נקודת מבחן אחת. יצרנים רבים מספקים כעת נתונים פס רחב מ 1 מ- MHz ל-40 GHz ומעלה.

קומפוזיציה ותהליכיות ייצור

שינויים קטנים בנוסחה כימית או עיבוד (טמפרטורה מתפרשת, קצב קירור) יכולים לשנות ⁇ על ידי 1–5% ו- טנגן על ידי סדר גודל של קרמיקה.עבור תת-שכבות מעגלים מודפסים, יחס ה- שרף-to-glass ו בסגנון Weave משפיע על ההסתברות.מעצבים משתמשים לעתים קרובות בנתונים סטטיסטיים (למשל, ±1% עבור ⁇ ) ספקים אמינים ומשלבים סובלנות בסימולציות משמרים בסימולציות.

יישומים ב-Modert Systems מיקרוגל

עקרונות ההיתר המורכבים מוחלים מדי יום בעיצוב של ציוד מיקרוגל חדשני. להלן הם כמה דוגמאות ייצוגיות.

5G ו- mm-Wave Antenna Arrays

הדור החמישי (5G) תחנות בסיס וידיים לפעול בתדרים עד 39 GHz ומעבר.אנטנה-in-package (AiP) ומודולים בשלבי ה-array משתמשים ב-Los-loss, גבוה ⁇ leminates (למשל, RO4835 עם ⁇ 3.5, ⁇ ⁇ ⁇ 0.003) כדי להפחית אלמנטים ולהפחית הפסדים. Accurtivity בין 24 GHz נתונים חיוני עבור GHz הוא חיוני עבור GHz הוא חיוני עבור GHz.

מערכות לוויינים ו-Radar

חומרים דיאלקטריים ברמה החלל חייבים לעמוד בקרינה, ואקום וטמפרטורות קיצוניות. Alumina (Al2O3, ⁇ 9.8, ⁇ ⁇ ⁇ 2 × 10-4) משמש נרחב בקו-band (12-18 GHz) ו Ka-band (26.5-40 GHz) מסננים ו-oscillators. נמוך- quartz ( ⁇ 3.78, , , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

דיאלקטרי אוסוציאלטורים (DROs)

DROs לספק oscillators המקומי נמוך-phase-noise עבור מקלטי מיקרוגל. a high-Q dielectric resonator ( ⁇ ⁇ 30-90, טנ < 10-5) שולט יציבות התדירות.הטמפרטורות coefficient של מותרות חייב להיות תואם דיור resonator כדי למזער את החומר קרמיקה מודרני כמו Ba(ZnZ,Ta)O להשיג 10,000 Qfactors ב 10GHz.

High-Power RF Windows

ב מאיץ חלקיקים ורדאר בעוצמה גבוהה, חלונות RF נפרדים ואקום מהאוויר תוך העברת מגה-וואט של כוח.חומר החלון חייב להיות אובדן נמוך מאוד (טט < 10-5) ו מוליכות תרמית גבוהה. Alumina ו beryllia (BeO) הם נפוצים; האחרון יש מוליכות תרמית גבוהה יותר אבל חששות מורכבים.

מסקנה

מותרות מורכבת היא הפרמטר החשוב ביותר של חומר דיאלקטרי המשמש בהנדסת מיקרוגל.זה שולט כיצד אנרגיה אלקטרומגנטית מאוחסן, מתעכבת, ומבוטלת בתוך מדיום, המשפיעה על כל רכיב מיקרוגל פסיבי ופעיל. על ידי הבנת מנגנוני הקיטוב אשר נותנים ⁇ ו ⁇ , מהנדסים יכולים לבחור או לפתח חומרים עם האיזון האופטימלי של נחיתות גבוהה עבור miniaturization, אובדן נמוך עבור תכונות יציבות וטמפרטורה.

טכניקות מדידה - החל מקווי התחדשות לשיטות חלל חופשיות - לספק את הנתונים הדרושים כדי לאמת מודלים חומריים ולהבטיח עמידות עיצוב. כמו מערכות מיקרוגל לדחוף לעבר תדרים גבוהים יותר (מיקרוגל ו sub-THz), הדיוק והלחם של ידע הנימוסיות הופך אפילו יותר קריטי.

עבור מהנדסים המבקשים לעצב מכשירים מיקרוגל אמין, ביצועים גבוהים, תפיסה מוצקה של הרשאה מורכבת אינה אופציונלית - זה יסוד.היכולת לחזות, למדוד, לנצל את הנכס הזה מפריד עיצובים מוצלחים מאלה שנפגעו על ידי אובדן בלתי צפוי, חוסר התאמה, וכישלון תרמי.