ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2021. № 6
Оглавление выпуска

Текст статьи (pdf)

English page

 

DOI https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.6.6

УДК 621.315.61

 

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ В СВЧ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН

 

Д. Г. Фомин , Н. В. Дударев , С. Н. Даровских

 Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет),
454080 Челябинск, проспект Ленина, 76

 

Статья поступила в редакцию 2 июня 2021 г.

 

Аннотация. Введение. Одной из современных тенденций развития систем связи, информационно-телекоммуникационных систем, систем управления воздушным движением и др. является переход и освоение более высокочастотных диапазонов длин волн. В этой связи, все более жесткие требования (по спектру, по внеполосному и побочному радиоизлучению, по форме выходного сигнала) предъявляются к радиотехническим устройствам, работающим на передачу и прием СВЧ радиосигналов. Как следствие, возрастают требования к конструктивным  и функциональным особенностям СВЧ электронных устройств. Одним из таких требований является оценка степени соответствия требуемым значениям диэлектрических свойств материалов, используемых в конструкциях СВЧ электронных устройств. Данное требование обосновано тем, что электрические параметры таких СВЧ устройств как: полосковые фильтры, делители мощности, печатные антенны и другие, напрямую зависят от диэлектрических свойств материалов, используемых в их конструкциях подложек.  В связи с этим в настоящее время возникло три основных метода оценки диэлектрических свойств материалов: резонансный метод, нерезонансный метод и метод свободного пространства. Цель исследования. Целью данной работы является проведение сравнительного анализа известных методов измерения диэлектрических свойств материалов в СВЧ диапазоне длин волн и устройств их реализации. Материалы и методы. Авторами работы проведен обзор научной литературы отечественного и зарубежного изданий. Результаты. Для каждого из методов измерения диэлектрических свойств материалов приведены их основная идея, практическая реализация, математическая модель обработки экспериментальных данных, области применения, а также достоинства и недостатки. Заключение. Применимость каждого из рассмотренных методов зависит от таких факторов как: форма исследуемого диэлектрического материала, его агрегатное состояние, возможность измерения амплитудных или комплексных коэффициентов передачи и отражения, наличие безэховой камеры и др.

Ключевые слова: диэлектрические свойства материалов, резонансные методы, нерезонансные методы, метод свободного пространства.

Abstract. One of the modern trends in the development of communication systems, information and telecommunication systems, air traffic control systems, etc. is the transition and development of higher-frequency wavelength ranges. In this regard more and more stringent requirements (in terms of spectrum, out-of-band and spurious radio emission, and in the shape of the output signal) are imposed on radio engineering devices that transmit and receive microwave radio signals. As a result, the requirements for the design and functional features of microwave electronic devices are increasing. One of these requirements is to assess the degree of compliance with the required values of dielectric properties of materials used in the design of microwave electronic devices. This requirement is justified by the fact that the electrical parameters of such microwave devices as: strip filters, power dividers, printed antennas and others, directly depend on the dielectric properties of the materials used in their substrate designs. In this regard, three main methods have now emerged for assessing the dielectric properties of materials: the resonant method, the non-resonant method, and the free space method. Aim. The aim of this article is to carry out a comparative analysis of the known methods for measuring the dielectric properties of materials in the microwave range of wavelengths and devices for their implementation. Materials and methods. The authors of the article reviewed the scientific literature of domestic and foreign publications. Results. For each of the methods for measuring the dielectric properties of materials, their main idea, practical implementation, a mathematical model for processing experimental data and areas of application are given. The advantages and disadvantages for each of the methods for measuring the dielectric properties of materials are given too. Conclusion. The applicability of each of the considered methods depends on such factors as: the shape of the investigated dielectric material, its state of aggregation, the possibility of measuring amplitude or complex transmission and reflection coefficients, the presence of an anechoic chamber, etc.

Key words: dielectric properties of materials, resonance methods, non-resonant methods, free space method.

Литература

1.     Таблица распределения полос радиочастот между радиослужбами Российской Федерации (статистические данные) [Электронный ресурс]. 01.06.2021. URL: https://digital.gov.ru/opendata/7710474375-trpch/table/

2.     Mandrić V.R., Rupčić S., Srnović M., Benšić G. Measuring the dielectric constant  of paper using a parallel plate capacitor. International journal of electrical and computer engineering systems. 2018. Vol.9. P.1-10. http://dx.doi.org/10.32985/ijeces.9.1.1

3.     Дьяконова О. А., Казанцев Ю. Н., Каленов Д.С. Измерительный комплекс для определения электромагнитных характеристик материалов резонаторным методом с помощью скалярных анализаторов цепей. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2017. №7. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/jul17/7/text.pdf   

4.     Nicolson A.M., Ross G.F. Measurement of the intrinsic properties of materials by time domain techniques. IEEE Trans. Instrum. Meas. 1970. No.4. P.377-382. https://doi.org/10.1109/TIM.1970.4313932

5.     Sahin S., Nahar N.K., Sertel K. Simplified Nicolson-Ross-Weir Method for Material Characterization Using Single-Port Measurements. IEEE Trans. On terahertz science and technology. 2020. Vol.10. No.4. P.404-410. https://doi.org/10.1109/TTHZ.2020.2980442

6.     Luukkonen O., Maslovski S.I., Tretyakov S.A. Stepwise Nicolson-Ross-Weir-Based Material Parameter Extraction Method. IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett. 2011. No.10. P.1295-1298. https://doi.org/10.1109/LAWP.2011.2175897

7.     Rothwell E. J., Frasch J. L., Ellison S. M., Chahal P., Ouedraogo R. O.  Analysis of the Nicolson-Ross-Weir Method for Characterizing the Electromagnetic Properties of Engineered Materials. Progress In Electromagnetics Research. 2016. No.157. P.31-47. http://dx.doi.org/10.2528/PIER16071706

8.     Severo S.L.S., de Salles A.A.A., Nervis B., Zanini B. K. Non-resonant Permittivity Measurement Methods. Journal of Microwaves, Optoelectronics and Electromagnetic Applications. 2017. No.1. P.297-311. https://doi.org/10.1590/2179-10742017v16i1890

9.     Weir W.B. Automatic Measurement of Complex Dielectric Constant and Permeability at Microwave Frequencies. Proceedings of the IEEE. 1974. No.1. P.3-36. https://doi.org/10.1109/PROC.1974.9382

10.  Klygach D., Vakhitov M., Khashimov A., Zhivulin V., Vinnik D., Sherstyuk D. Determination of the Optimal Sample Size for Measurement in a Coaxial Transmission Line. Ural Symposium on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology (USBEREIT). 2020. P.322-325. https://doi.org/10.1109/USBEREIT48449.2020.9117619

11.  Agilent. Basics of Measuring the Dielectric Properties of Materials. Application Note. [Электронный ресурс]. 01.06.2021. URL: http://academy.cba.mit.edu/classes/input_devices/meas.pdf

12.  Keysight Technologies. Basics of Measuring the Dielectric Properties of Materials. Application Note. [Электронный ресурс]. 01.06.2021. URL: https://www.cmc.ca/wp-content/uploads/2019/08/Basics_Of_MeasuringDielectrics_5989-2589EN.pdf

13. Беляев А.А., Романов А.М., Широков В.В., Шульдешов Е.М. Измерение диэлектрической проницаемости стеклосотопласта в свободном пространстве. Труды ВИАМ. 2014. №5. С.1-16.

14. Певнева Н.А., Гурский А.Л., Кострикин А.М. Метод свободного пространства с использованием векторного анализатора цепей для определения диэлектрической проницаемости материалов на сверхвысоких частотах. Доклады БГУИР. 2019. №4. С.32-39.

15. Gonçalves F.J.F., Pinto A.G. M., Mesquita R.C., Silva E.J., Brancaccio A.  Free-Space Materials Characterization by Reflection and Transmission Measurements using Frequency-by-Frequency and Multi-Frequency Algorithms. Electronics. 2018. No.7. P.1-21. https://doi.org/10.3390/electronics7100260

 

 

Для цитирования:

Фомин Д.Г., Дударев Н.В., Даровских С.Н. Анализ методов измерения диэлектрических свойств материалов в СВЧ диапазоне длин волн. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. №6. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.6.6