Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2018, № 2 · RADIO ELECTRONICS RELATED PROBLEMS

Dielectric parameters of the modern low-loss ceramics in the microwave, millimeter, and submillimeter ranges

V.V. Parshin1,2, E.A. Serov1,2, E.E. Chigryai3, B.M. Garin3, R.N. Denisiuk3, D.S. Kalyonov3, D. Ding4,5, L. Li4,5, L. Lu4,5, I. Yang4,5, L. Liang4,5, F. Feng4,5, P.V. Ershova6,7

1 Институт прикладной физики Российской Академии наук, Russia
2 Institute of Applied Physics of Russian Academy of Sciences, Russia
3 Fryazino Branch of Kotelnikov IRE RAS, Friazino, Russia
4 Пекинский исследовательский институт вакуумной электроники
5 Vacuum Electronics National Lab, Beijing Vacuum Electronics Research Institute, China
6 ОАО «Магнетон», Ст.-Петербург, Russia
7 Public Corporation “Magneton”, 194223, St.-Petersburg, Russia
Full text (PDF) EDN YRNXUZ

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: tan d <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.

  • dielectric loss
  • refractive index
  • microwave
  • millimeter
  • open resonators
Аннотация (на русском)

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

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 tg d 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: tg d <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.

For citation

Parshin V.V., Serov E.A., Chigryai E.E., Garin B.M., Denisiuk R.N., Kalyonov D.S., Ding D., Li L., Lu L., Yang I., Liang L., Feng F., Ershova P.V. Dielectric parameters of the modern low-loss ceramics in the microwave, millimeter, and submillimeter ranges // Journal of Radio Electronics. – 2018. – No. 2.

References

  1. Firsenkov A.I., Kanivets A.Yu., Kasatkina T.S., Ershova O.M., Ivanova L.P., Ershova P.V., Microwave dielectric materials fabricated in the PC "Magneton", Sbornic statei IV Vserossiiskoi Konferentsii "Elektronica i Mikroelektronika SVCh" [Collection of papers of the Fourth All-Russian Conf. "Microwave Electronics and Microelectronics"] Saint-Petersburg, publishing of the Saint-Petersburg State Electrical-engineering University "LETI", 2015, Vol. 2, pp. 55-59.
  2. Parshin V.V., Serov E.A., Ershova P.V., The study of dielectric properties of modern ceramic materials in the millimeter range, Sbornic statei Shestoi Vserossiiskoi Konferentsii "Elektronica i Mikroelektronika SVCh" [Collection of papers of the Sixth All-Russian Conf. "Microwave Electronics and Microelectronics"] Saint-Petersburg, publishing of the Saint-Petersburg State Electrical-engineering University "LETI", 2017, pp. 418-422.
  3. Parshin V.V., Serov E.A., Chigryai E.E., Garin B.M., Denisyuk R.N., Kalyonov D.S., Li L., Feng J., Ershova P.V. Dielectric parameters of newest low absorption ceramics in microwave and millimeter ranges. V Vserossiiskaya mikrovolnovaya Konferntsiya, Doklady [Proc. of Fifth All-Russian Microwave Conference], Moscow, Kotel'nikov IRE of RAS, November 29 - December 1, 2017, pp. 226-230. Publ.: Kotel'nikov IRE of RAS, 2017.
  4. Dryagin Yu.A., Parshin V.V., A method for determination of dielectric permittivity and loss tangent. The Copyright Certificate No. 1539681, Bulletin No. 40, The USSR State Committee for inventions and discoveries, 1990, January 30.
  5. Dryagin Yu.A., Parshin V.V. A method to measure dielectric parameters in 5÷0,5 mm wavelength band. International Journal of Infrared and Millimeter Waves, 1992, Vol. 13, No.7, pp.1023-1032.
  6. S.N. Vlasov, E.V. Koposova, A.B. Mazur and V.V. Parshin. On permittivity measurement by a resonance method. Radiophysics and Quantum Electronics, 1996, Vol. 39, No. 5, pp. 410-415.
  7. Parshin V.V., Tretyakov M.Yu., Koshelev M.A., Serov E.A. Instrumental complex and the results of precise measurements of MM and SubMM wave propagation in condensed media and atmosphere. Radiophysics and Quantum Electronics, 2012, Vol. 52, No. 8, pp. 525-535. DOI:10.1007/s11141-010-9169-0
  8. Parshin V.V., Tretyakov M.Yu., Koshelev M.A., Serov E.A., Modern resonator spectroscopy at submillimeter wavelengths. IEEE Sensors Journal, 2013, Vol. 13, No 1, pp. 18-23.
  9. E.E. Chigryai, B.M. Garin, R. N. Denisyuk, D. S. Kalenov, I. P. Nikitin. Ultralow absorption in silicon carbide in the millimeter wave range", Zhurnal Radioelektroniki - Journal of Radio Electronics, 2016, No. 11. Available at http://jre.cplire.ru/jre/nov16/6/text.pdf.
  10. B.M Garin, "One-phonon dielectric c losses by excitation of sound". Sov. Phys. Solid State 32 (11) (1990) 1917-1920.
  11. B.M. Garin, "Disorder-induced one-phonon absorption of millimeter and submillimeter waves", SPIE Proc. Vol. 2211b, USA, 1994, pp. 606-614.
  12. A.R. Hippel, Dielectrics and Waves, N.-Y., John Willey & Sons, 1954.