Диэлектрические параметры современных малопоглощающих керамик в СВЧ, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах

 

В. В. Паршин ¹, Е. А. Серов ¹, Е. Е. Чигряй ², Б. М. Гарин ², Р. Н. Денисюк ², Д. С. Калёнов ², Минцин Дин³, Лили Ли³, Яньпин Лу³, Яньлин Ян³, Юхуань Лян³, Цзиньцзунь Фэн³, П. В. Ершова⁴

 

¹ Институт прикладной физики Российской Академии наук, Нижний Новгород, 603950, Россия

² Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, 141190, Московская область, г. Фрязино, пл. академика Введенского, д.1

³ Пекинский исследовательский институт вакуумной электроники, Пекин, 100015, Китай

⁴ ОАО «Магнетон», Ст.-Петербург, 194223, Россия

 

Статья поступила в редакцию 15 февраля 2017 г.

 

Аннотация. Исследованы диэлектрические параметры в современных малопоглщающих керамиках – нитриде алюминия AlN и оксиде алюминия Al₂O₃ производства Китая и России в очень широком диапазоне частот 10–350 ГГц. Измерения показателя преломления n и тангенса угла диэлектрических потерь tgd проводились с использованием различных методов и измерительных установок. Для измерения диэлектрических потерь в СВЧ-диапазоне, на частоте 9.4 ГГц, использовался закрытый полый металлический резонатор. Для измерения показателя преломления в миллиметровом (ММ) и субмиллиметровом (СубММ) диапазонах, на частотах 60–350 ГГц, были использованы открытые резонаторы и панорамные измерители КСВН. Для измерения диэлектрических потерь в ММ и СубММ диапазонах были использованы различные открытые резонаторы.

Измерены показатель преломления и диэлектрические потери на частотах f=70–350 ГГц в китайских керамических образцах – в трёх образцах AlN и двух образцах Al₂O₃. Во всех исследованных образцах потери весьма низкие: tgd <10^-3. Были измерены также диэлектрические потери в образце новейшей керамики Al₂O₃ российского производства ОАО "Магнетон" (марки VK100M). В этом образце потери приблизительно в два раза ниже, чем в китайских образцах, и являются наименьшими среди наблюдавшихся ранее в керамиках Al₂O₃. Более того, эти потери лишь немного выше, чем в соответствующем монокристалле (сапфир). Рассмотрена природа наблюдаемых потерь.

Ключевые слова: диэлектрические потери, показатель преломления, малопоглощающие керамики, СВЧ, миллиметровый и субмиллиметровый диапазоны, открытые резонаторы

Abstract. The dielectric parameters in a very wide frequency range 10–350 GHz in the modern low-loss ceramics, the aluminum nitride AlN and aluminum oxide Al₂O₃, fabricated in China and Russia, are investigated. The measurements of the refractive index and dielectric loss tangent were conducted using different techniques and measurement setups. For the measurement of dielectric loss in the microwave range, at frequency of 9.4 GHz, the closed metal cavity resonator was used. For the measurements of refractive index in the millimeter (MM) and submillimeter (SubMM) ranges, at the frequencies of 60–350 GHz, both open resonators and scalar network analyzers were used. For the measurements of dielectric loss in the MM and SubMM ranges different open resonators were used.

The refractive index and dielectric loss were measured at f=70–350 GHz. in three Chinese samples of ceramic AlN and two samples of ceramic Al₂O₃. In all samples the losses are very low: tand <10^-3. Also the dielectric loss was measured in newest Russian sample of ceramic Al₂O₃, fabricated in the PC "Magneton" (of the brand “VK100M”). The loss in it is the lowest loss observed among ceramics Al₂O₃. Moreover, this loss is only slightly higher, that in the corresponding single crystal (sapphire).

The nature of observed losses is considered. The loss frequency dependencies in the MM and SubMM ranges in all ceramics Al₂O₃ studied can be well described by the linear approximation. Such dependence corresponds to the mechanism of so-called one-phonon lattice loss induced by the crystal lattice disorder.

Key words: dielectric loss, refractive index, low loss ceramics, microwave, millimeter, and submillimeter ranges, open resonators.

 

Для цитирования:

В. В. Паршин, Е. А. Серов, Е. Е. Чигряй, Б. М. Гарин, Р. Н. Денисюк, Д. С. Калёнов, Минцин Дин, Лили Ли, Яньпин Лу, Яньлин Ян, Юхуань Лян, Цзиньцзунь Фэн, П. В. Ершова. Диэлектрические параметры современных малопоглощающих керамик в СВЧ, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2018. №2. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/feb18/10/text.pdf

DOI  10.30898/1684-1719.2018.2.12