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
2024, № 7 · RADIO ENGINEERING

Microwave stripline resonator with bulk crystal: experimental characteristics and determination of effective dielectric permittivity

A.A. Arutyunyan1, N.D. Malyutin1

1 Tomsk State University of Control Systems and Radio Electronics (TUSUR), Tomsk, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2024.7.8 UDC 621.372 EDN VIEXJH

Abstract

The paper presents the results of an experimental study and modeling of the frequency characteristics of a resonator in the form of two strip vibrators, separated by a large gap and covered with a bulk lithium niobate crystal. A metal electrode with a floating potential is installed on the upper surface of the crystal. The frequency dependences of the scattering matrix coefficients of a stripline resonator were measured in the frequency range up to 3 GHz. Electrodynamic analysis was carried out in the COMSOL Multiphysics numerical simulation environment. A comparison was made of experimental and numerical results, which showed good qualitative agreement between the transmission coefficients and reflection coefficients. Resonant oscillations were obtained at two or three frequencies depending on the location and orientation of the crystal. It has been established that at the first resonant frequency the electrode acts as a screen. The absence of an electrode leads to the disappearance of resonance. The simulation carried out in COMSOL made it possible to estimate the effective dielectric constant of the resonator corresponding to the values of the resonant frequencies. The calculation of electromagnetic fields made it possible to establish the types of waves corresponding to resonant frequencies. Knowing the type of waves and estimating the relative dielectric constant made it possible to construct an algorithm for a refined iterative procedure for calculating the values of the resonant frequencies and the effective dielectric constant of the resonator. The possibility of using resonators as single-link bandpass filters with a passband of about 1%, insertion loss of -1.1 dB and minimal return loss of -28 dB at the center frequency is shown.

  • resonator
  • strip lines
  • bulk crystal
  • lithium niobate
  • frequency characteristics
  • bandpass filter
  • experimental characteristics
  • modeling
Аннотация (на русском)

Полосковый резонатор СВЧ с объемным кристаллом: экспериментальные характеристики и определение эффективной диэлектрической проницаемости

В работе приведены результаты экспериментальных исследований и моделирования частотных характеристик резонатора в виде двух полосковых вибраторов, разделенных большим зазором и перекрытых объемным кристаллом ниобата лития, на верхней поверхности которого установлен металлический электрод с плавающим потенциалом. При проведении эксперимента измерялись частотные зависимости коэффициентов матрицы рассеяния в диапазоне частот до 3 ГГц. Электродинамический анализ проводился в среде численного моделирования COMSOL Multiphysics. Проведено сравнение экспериментальных и численных результатов, показавших хорошее качественное совпадение коэффициентов передачи и коэффициентов отражения. Получены резонансные колебания на двух или трех частотах в зависимости от расположения и ориентации кристалла. Установлено, что на первой резонансной частоте электрод выполняет функцию экрана. Отсутствие электрода приводит к исчезновению добротных резонансов. Проведенное моделирование в COMSOL позволило оценить эффективную диэлектрическую проницаемость резонатора, соответствующую значениям резонансных частот. Расчет электромагнитных полей дал возможность установить типы волн, соответствующих резонансным частотам. Знание типа волн и оценка относительной диэлектрической проницаемости позволили построить алгоритм уточняющей итерационной процедуры расчета значений резонансных частот и эффективной диэлектрической проницаемости резонатора. Показана возможность использования резонаторов в качестве однозвенных полосно-пропускающих фильтров с полосой пропускания около 1%, вносимыми потерями -1,1 дБ и минимальными возвратными потерями -28 дБ на центральной частоте.

For citation

Arutyunyan A.A., Malyutin N.D. Microwave stripline resonator with bulk crystal: experimental characteristics and determination of effective dielectric permittivity // Journal of Radio Electronics. – 2024. – No. 7. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.7.8

References

  1. Беляев Б.А., Дрокин Н.А., Шабанов В.Ф. Резонансные датчики для измерения диэлектрических спектров жидких кристаллов в широком диапазоне частот // Приборы и техника эксперимента. - 2006. - №. 5. - С. 111-118. DOI 10.21293/1818-0442-2023-26-1-41-47
  2. Миненко Д.Е., Шеерман Ф.И., Федоров Е.А. Методы измерений диэлектрических свойств листовых диэлектриков в СВЧ диапазоне на основе полосковых резонаторов // Радиофизика, фотоника и исследование свойств вещества. - 2022. - С. 66-68.
  3. Миненко, Д.Е. Шеерман Ф.И. Проектирование полосковых резонаторов для измерения εr и tgδ листовых диэлектрических материалов в СВЧ-диапазоне // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2023. - Т. 26, № 1. - С. 41-47. - DOI 10.21293/1818-0442-2023-26-1-41-47
  4. Арутюнян А.А. и др. Частотные характеристики полосковых модулей формирования квазихаотических сигналов на основе объемных нелинейно-оптических кристаллов // Ural Radio Engineering Journal. - 2023. - Т. 7. - №. 3. - С. 227-249. DOI: 10.15826/urej.2023.7.3.001
  5. Малютин Г.А., Арутюнян А.А. Особенности измерения фазовой задержки в полосковых структурах с диэлектрическим заполнением нелинейными объемными кристаллами // XIII Всероссийская научно-техническая конференция "Метрология в радиоэлектронике". - 2023.
  6. Воробьев П.А., Малютин Н.Д., Федоров В.Н. Квази-Т-волны в устройствах на связанных полосковых линиях с неуравновешенной электромагнитной связью // Радиотехника и электроника. - 1982. - Т. 27. - №. 9. - С. 1711-1718.
  7. Рез И.С, Поплавко Ю.М. Диэлектрики: основные свойства и применения в электронике. - Радио и Связь, 1989. ISBN 5-256-00235-Х.
  8. Wong K.K. (ed.). Properties of lithium niobate. - IET, 2002. - №. 28.
  9. Журавлев А.А. Разработка и исследование диэлектрических интегрально-оптических датчиков напряженности электрического поля: дис. канд. техн. наук. - Пермь. - 2020. - С. 142.
  10. Лебедев В.В. Исследование высокочастотной и сверхвысокочастотной модуляции оптического излучения в волноводных структурах на основе ниобата лития: дис. - диссертация на соискание учёной степени к. ф.-м. н., СПб: Физико-технический институт им. АФ Иоффе РАН. - 2016. - C. 126.
  11. Геворкян В., Кочемасов В. Объемные диэлектрические резонаторы-основные типы, характеристики, производители. Часть 1 // Электроника: наука, технология, бизнес. - 2016. - №. 4. - С. 62-77.
  12. Диэлектрические резонаторы для ЭПР спектроскопии / И.С. Головина, И.Н. Гейфман, В.Е. Родионов - Национальная академия наук Украины, Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины. - Киев: НАН Украины. - 2015. - С. 158. ISBN 978-966-02-7675-8.