Introduzione

Tra i parametri di dispersione, i parametri di dispersione e i parametri S, la caratterizzazione accurata dei componenti, dei circuiti e dei sistemi a microonde dipende da una misura precisa dei parametri di dispersione, o dei parametri S. Questi parametri descrivono come l'energia si propaga attraverso una rete, attraverso la relativa presenza di onde di tensione riflesse e trasmesse ai porti della rete.

La perdita dielettrica si riferisce all'energia dissipata come calore all'interno di un materiale isolante quando esposto a un campo elettrico che va a tempo. A frequenze a microonde, queste perdite possono falsare le letture di parametri S in modi sottili ma significativi, i progettisti e gli ingegneri di test leader a trarre conclusioni errate sulle prestazioni del dispositivo, l'efficienza e l'impedenza di corrispondenza del radar.

Fondamenti di S-Parametri e dielettriche

Parametri di spartizione in un guscio

Per un dispositivo a due porte, i coefficienti di riflessione S11 e S22 indicano quanto potere ritorna alla fonte dalle porte di ingresso e di uscita, rispettivamente, mentre i coefficienti di trasmissione S21 e S12 rappresentano un guadagno o una perdita di senso inverso. Questi rapporti sono definiti con tutte le porte terminate in un'impedenza di riferimento, tipicamente 50 Ω fase.

L'accuratezza della misurazione dipende dal VNA e dalla sua procedura di calibrazione che isola il DUT da errori sistematici presentati da cavi, connettori e imperfezioni interne dello strumento. Anche con la calibrazione di alta qualità, le proprietà materiali del DUT e interconnessioni possono introdurre meccanismi di perdita imprevedibili non completamente rimossi dai modelli di correzione degli errori tradizionali.

Permittività complessa e il tangente Loss

Il comportamento elettrico di un materiale dielettrico è descritto dalla sua complessa relativa autorizzazione:

[]]r[] = εr[]′′ − j ε]]r′′[]]

La parte reale εr[]] rappresenta la capacità del materiale di immagazzinare energia elettrica, mentre la parte immaginaria εr[]′′′′′ rappresenta le perdite dissipative.

tan δ = ε[]r[]]] ]] []]]]]

Per riferimento, a 10 GHz, il substrato FR-4 standard mostra un tan δ2-0, mentre i materiali a basso consumo Rogers RO4350B possono avere un tan δ di circa 0,037.

Origini fisiche della perdita dielettrica

La perdita di corrente elettrica deriva da diversi fenomeni microscopici. [[Fδ:0]] Il rilassamento di tipo polare domina nei materiali polari: quando viene applicato un campo alternato, i dipoli permanenti tentano di allinearsi al campo, ma le loro forze inerziali e viscose all'interno del materiale causano un ritardo di fase, con conseguente dissipazione di energia

Meccanismi di come le perdite dielettriche Affect S-Parameters

Perdita di inserimento e adattamento

L'impatto più diretto della perdita dielettrica appare nella perdita di inserimento, tipicamente quantificata dalla magnitudo S21. In una linea di trasmissione uniforme di lunghezza [L], la costante attenuazione totale α consiste di perdite di conduttori αc] e perdite dielettriche α attenuate[FLT:

]]d[]]] ≈ π f tan δ √(εeff[]]]]]] / (c √(ε]r]]]]]]] ]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]

Il sistema di controllo di funzionamento del sistema di controllo è in grado di fornire un'informazione più chiara e più rapida.

Cambiamenti di coefficiente di riflezione

Il sistema di calcolo del valore di un'impedenza di tipo locale[7] è un fattore di omogeneità [] [[f]]] [[f]]] [[f]]]] [[f]]]] [[f]]]]]] [[f]]]]]]]] [[[f]]]]]]]]

Distorsione della velocità e del relè di fase

La parte reale dei fenomeni di permesso effettivo determina la velocità di fase vp = c / √(ε]eff) e quindi la lunghezza elettrica del percorso di trasmissione.

Trasformazione e accoppiamento di impedenza

In elementi distribuiti come accoppiatori, filtri e stubs corrispondenti, la lunghezza elettrica e l'impedenza caratteristica di ogni sezione sono accuratamente calcolati. La perdita dielettrica altera questi parametri leggermente ma abbastanza per spostare la frequenza centrale di un filtro di banda o degradare la direttività di un accoppiatore di tangenziale.

Implicazioni pratiche in micro-onde Misure

Il PCB Substrate Conundrum

Una parte sostanziale dei circuiti a microonde è costruita su schede a circuito stampato (PCB), e la scelta substrato influisce direttamente sulla qualità di misura. FR-4 è poco costoso ma mostra alta perdita dielettrica sopra 1 GHz e scarsamente controllato εr] che varia da lotto a lotto.

Connettore e Interconnessione

I connettori coassiali, gli adattatori e i cavi di prova contengono isolatori dielettrici come PTFE o polietilene. Sebbene questi materiali abbiano un livello di perdita di basso contenuto tangente, non sono senza perdite. In un cavo di prova lungo o in un adattatore di tipo usurato, la perdita dielettrica può accumularsi e apparire come ulteriore pendenza di attenuazione erroneamente attribuita al DUT.

Misurazioni di On-Wafer e Probe-Station

Le misure di tipo S-parametro per i circuiti integrati monolitici a microonde (MMIC) presentano delle caratteristiche dielettriche uniche. Il substrato semiconduttore (silicio, arsenide al galileo, o carburo di silicio) ha una sua perdita tangente, e gli strati dielettrici sovrapposti utilizzati per le frequenze di passivazione o di metallo-insulatore-metodo (MIM) introducono ulteriori perdite.

Effetti di temperatura e umidità

I tangenti di perdita dielettrica variano con il contenuto di temperatura e umidità. Un PCB esposto a una camera termica durante le misurazioni del parametro Swept-frequency può mostrare la deriva in magnitudo S21 come il substrato si riscalda.

Strategie di misura e calibrazione

Metodi di calibrazione dell'analizzatore di rete vettoriale

La calibrazione corretta è la prima linea di difesa contro gli errori di misura sistematici. Le frequenze tradizionali di SOLT (short-open-load-through) funzionano bene in ambienti coassiali, ma presuppone che gli standard siano ideali o ben caratterizzati. Quando le perdite dielettriche sono presenti negli stessi standard di calibrazione, come in un'apertura on-wafer che mostra capacità di fring influenzate dalla perdita substrata, i coefficienti semplici vengono catturati in modo di frequenza-derivato.

Rimozione di embrioni e dispositivi

Anche dopo la calibrazione, il DUT è spesso incorporato in una linea di prova o di trasmissione che contribuisce ad una perdita dielettrica aggiuntiva. Le tecniche di rimozione della materia matematicamente rimuovere gli effetti di input e output lancia, spostando il piano di riferimento alle porte più interne del dispositivo.

Separazione di perdite dielettriche e di conduttore

Per comprendere appieno l'influenza sui parametri S, è spesso necessario separare la perdita dielettrica dalla perdita del conduttore. Un metodo comune utilizza più linee di trasmissione di identiche sezioni incrociate ma diverse lunghezze fisiche. Misurando i parametri S di ogni linea e facendo analisi differenziale, la costante di attenuazione per lunghezza unitaria può essere estratta. Quando combinato con un modello di perdita del conduttore noto o simulato, l'attenuazione rimanente è attribuita al dielettrico.

Caratterizzazione avanzata dei materiali

Per la massima precisione, le proprietà dielettriche del lotto materiale specifico utilizzato nelle frequenze DUT possono essere misurate prima della fabbricazione. La nota di applicazione di Keysight sulla misurazione delle proprietà dielettriche[δmetri:1]] delinea diversi approcci, compreso il metodo di condensatore parallelo-plate fino a 1 GHz e metodi di trasmissione-line a frequenze di microonde.

Mitigazione e considerazioni di progettazione

Selezione di substrati e dielettrici a basso consumo

Il metodo più semplice per ridurre l'influenza della perdita dielettrica sulle misurazioni di S-parametro è quello di scegliere materiali con intrinsecamente bassi di perdita tangenti.

Ottimizzazione del design-Level

I progettisti possono ridurre la sensibilità del circuito alle perdite dielettriche. Per esempio, i filtri a bordo larga possono essere progettati con una larghezza di banda leggermente più ampia e una minore tolleranza di perdita di inserimento elettrico, in modo da le perdite dielettriche non spingono le prestazioni fuori specifica.

Integrazione della simulazione EM con i modelli di materiale

I moderni pacchetti di simulazione EM consentono di definire la capacità di produzione complessa dipendente dalla frequenza attraverso modelli come il modello Djordjevic-Sarkar o la banda larga Debye. Quando questi modelli vengono utilizzati durante la progettazione, i parametri S simulati includono già la firma della perdita dielettrica.

Tendenze e materiali avanzati

Le nuove caratteristiche di sviluppo del sistema di misurazione del contatto elettrico (in inglese) (in inglese) (in inglese) e di altri sistemi di misurazione del tempo libero (in inglese) (in inglese) (in inglese)

Conclusioni

Le perdite dielettriche esercitano una profonda influenza sulle misurazioni dei parametri S-parametro dei dispositivi a microonde. Essi manifestano come perdita di inserimento in eccesso, riferimenti di impedenza spostati, distorsione di fase e risposte di frequenza inattese che possono ingannare gli ingegneri anche esperti.