radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2023-26-6-64-73radioelectronics-818Research ArticleЭЛЕКТРОНИКА СВЧMICROWAVE ELECTRONICSРасчет и измерение диэлектрических параметров керамических и сегнетоэлектрических материалов в диапазоне СВЧCalculation and Measurement of Dielectric Parameters of Ceramic and Ferroelectric Materials in the Microwave Rangehttps://orcid.org/0000-0002-5247-6006СевериковВ. С.SeverikovV. S.

Севериков Василий Сергеевич – магистр по специальности "Техническая физика" (2019, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого), аспирант кафедры микрорадиоэлектроники и технологии радиоаппаратуры. Автор трех научных публикаций. Сфера научных интересов – разработка ЭКБ и устройств СВЧ-диапазона

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Vasily S. Severikov – Master in Technical Physics (2019, Peter the Great St Petersburg Polytechnic University), Postgraduate student of the Department of Microradioelectronics and Radio Equipment Technology of Saint Petersburg Electrotechnical University. The author of 3 scientific publications. Area of expertise: development of electronic components and microwave devices.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

severva3@gmail.comФамКонг ЧеFamKong Che

Фам Конг Че – магистр по специальности "Радиоэлектронные системы" (2016, Ярославское высшее военное училище противовоздушной обороны), аспирант кафедры микрорадиоэлектроники и технологии радиоаппаратуры. Автор одной научной публикации. Сфера научных интересов – разработка ЭКБ и устройств СВЧ-диапазона.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Fam Kong Che – Master in Radioelectronic systems (2016, Yaroslavl Higher Military Institute of the Air Defense), Postgraduate student of the Department of Microradioelectronics and Radio Equipment Technology of Saint Petersburg Electrotechnical University. The author of 1 scientific publications. Area of expertise: development of electronic components and microwave devices

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

khanhlinhdangthditrach@gmail.comМельникВ. И.MelnikV. I.

Мельник Вячеслав Игоревич – кандидат технических наук (1989), доцент (1991) кафедры микрорадиоэлектроники и технологии радиоаппаратуры. Сфера научных интересов – проектирование радиоэлектронной аппаратуры.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Vyacheslav I. Melnik – Cand. Sci. (Eng.) (1989), Associate Professor (1991) of the Department of Microradioelectronics and Radio Equipment Technology. The author of 15 scientific publications. Area of expertise: design of radio-electronic equipment.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

melnikvi@yandex.ruСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian Federation2023271220232666473Copyright © Севериков В.С., Фам К., Мельник В.И., 20232023Севериков В.С., Фам К., Мельник В.И.Severikov V.S., Fam K., Melnik V.I.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/818Введение

Введение. Определение электрофизических параметров линейных и нелинейных диэлектрических материалов для применения в технике СВЧ является важной задачей. Линейные диэлектрики используют как основу для подложек СВЧ-схем, так и в качестве объемных элементов для построения частотно-избирательных или резонансных структур, которые работают в широком температурном диапазоне. Поэтому вопрос стабилизации электрических параметров таких структур в условиях изменения температуры актуален. Его можно решить, используя многослойную комбинацию диэлектриков как с линейными, так и с нелинейными свойствами. Нелинейные свойства, которыми обладают сегнетоэлектрики, находят применение в функциональных узлах с электрической перестройкой частотных и фазовых характеристик. Важным является не только определение относительной диэлектрической проницаемости материала, но и коэффициента управления в ВЧ–СВЧ-диапазонах длин волн.

Цель работы

Цель работы. Построение расчетных математических моделей для слоистых объемных и пленочных структур и определение относительной диэлектрической проницаемости линейных и нелинейных диэлектриков в диапазоне СВЧ.

Материалы и методы

Материалы и методы. Вычислительные математические модели для анализа сложных слоистых структур построены на базе уравнений Максвелла и метода Галеркина с применением граничных условий для касательных и нормальных компонент электромагнитного поля.

Результаты

Результаты. Выполнен электродинамический анализ двухслойного объемного дискового резонатора и получены результаты расчета резонансной частоты. Проведен численный анализ дисперсионных характеристик многоэлектродной линии передачи, и по результатам измерений многоэлектродного полуволнового резонатора с сегнетоэлектрической пленкой получено значение ее относительной диэлектрической проницаемости и коэффициента управления.

Заключение

Заключение. Созданные математические модели и проведенный эксперимент позволили численно оценить свойства линейных и нелинейных диэлектрических объемных и пленочных материалов в СВЧ-диапазоне.

Introduction

Introduction. Determination of the electrophysical parameters of linear and nonlinear dielectric materials for use in microwave technology represents an important direction. Linear dielectrics are used as a basis for the substrates of microwave circuits, as well as volumetric elements for the construction of frequency selective or resonant structures that operate across a wide temperature range. Therefore, the issue of stabilizing the electrical parameters of such structures from temperature influences appears relevant. A possible solution lies in the use of a multilayer combination of dielectrics, both with linear and nonlinear properties. Due to their nonlinear properties, ferroelectrics find application in functional units with an electrical rearrangement of frequency and phase characteristics. Therefore, it is important to determine not only the relative permittivity of the material, but also the control coefficient in the RF– microwave wavelength ranges.

Aim

Aim. Construction of computational mathematical models for layered bulk and film structures to determine the relative permittivity of linear and nonlinear dielectrics in the ultrahigh frequency range.

Materials and methods

Materials and methods. The construction of computational mathematical models for the analysis of complex layered structures was carried out on the basis of Maxwell’s equations and the Galerkin method using boundary conditions for electromagnetic field components.

Results

Results. An electrodynamic analysis of a two-layer volumetric disk resonator was performed, and numerical results of calculating the resonant frequency were obtained. A numerical analysis of a multielectrode half-wave resonator with a ferroelectric film (FEF) was carried out.

Conclusion

Conclusion. The mathematical models created and the experiment performed made it possible to numerically evaluate the properties of linear and nonlinear dielectric bulk and film materials in the microwave range.

слоистый объемный диэлектрический резонаторсегнетоэлектрические резонансные структурылинейныенелинейные диэлектрикиlayered volumetric dielectric resonatorferroelectric resonant structureslinearnonlinear dielectricsАвторы благодарят руководство ОАО "Завод Магнетон" (Санкт-Петербург) за предоставление технологической и измерительной базы для проведения исследований свойств диэлектрических материалов.The authors thank the management of JSC "Magneton Plant" (St Petersburg) for providing a technological and measuring base for conducting research on the properties of dielectric materials.ReferencesШирман Я. Д. Радиоволноводы и объемные резонаторы. М.: Связьиздат, 1959. 379 с.Shirman, Ya. D. Radiovolnovody i ob"emnye rezonatory [Radio Waveguides and Volumetric Resonators]. Moscow, Svyazizdat, 1959, 379 p. (In Russ.)Dielectric Resonators with High Q-factor for Tunable Low Phase Noise Oscillators / L. Zhou, W. Y. Yin, J. Wang, L. S. Wu // IEEE Trans. on CPMT. 2013. Vol. 3, no. 6. P. 1008–1015. doi: 10.1109/TCPMT.2013.2258465Zhou L., Yin W. Y., Wang J., Wu L. S. Dielectric Resonators with High Q-factor for Tunable Low Phase Noise Oscillators. IEEE Trans. on CPMT. 2013, vol. 3, no. 6, pp. 1008–1015. doi: 10.1109/TCPMT.2013.2258465Геворкян В., Кочемасов В. Объемные диэлектрические резонаторы – основные типы, характеристики, производители // Электроника НТБ. 2016. № 4. С. 62–76.Gevorkyan V., Kochemasov V. Cavity Dielectric Resonators – Basic Types, Characteristics, Manufacturers. Part 1. Electronics NTB. 2016, no. 4, pp. 62–76. (In Russ.)Егоров Е. В., Малышев В. М. Экранированная колебательная система опорного СВЧ-генератора с торцевым возбуждением дискового диэлектрического резонатора // Науч.-техн. ведомости СПбГПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление. 2017. Т. 10, № 2. С. 45–57. doi: 10.18721/JCSTCS.10204Egorov E. V., Malyshev V. M. Oscillating System of a Reference Microwave Generator with Screened Dielectric Resonator Excited from an End Face. St. Peters-burg State Polytechnical University J. Computer Science. Telecommunications and Control Systems. 2017, vol. 10, no. 1, pp. 45–57. doi: 10.18721/JCSTCS.10204 (In Russ.)Обзоры по электронной технике / Л. В. Алексейчик, И. И. Бродуленко, В. М. Геворкян, Ю. А. Казанцев, Л. А. Парышкуро // Сер. 1: Электроника СВЧ. 1981. Вып. 13 (832). 97 с.Alekseychik L. V., Brodulenko I. I., Gevorkyan V. M., Kazantsev Yu. A., Paryshkuro L. A. Reviews on Electronic Technology. Episode 1: Microwave Electronics.1981, iss. 13 (832), 97 p. (In Russ.)Капилевич Б. Ю. Волноводные диэлектрические фильтры. М.: Связь, 1980. 136 с.Kapilevich B. Yu. Volnovodnye dielektricheskie fil'try [Waveguide Dielectric Filters]. Moscow, Communication, 1980, 136 p. (In Russ.)Вендик О. Г., Иванов И. В., Соколов А. И. Сегнетоэлектрики в технике СВЧ / под ред. О. Г. Вендика. М.: Сов. радио, 1979. 272 сVendik O. G., Ivanov I. V., Sokolov A. I. Segnetoelektriki v tekhnike SVCh [Ferroelectrics in Microwave Technology]. Ed. by O. G. Vendik. Moscow, Sov. Radio, 1979, 272 p. (In Russ.)Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики / Г. А. Смоленский, В. А. Боков, В. А. Исупов и др. // М.: Наука, 1971. 476 с.Smolenskii G. A., Bokov V. A., Isupov V. A. Segnetoelektriki i antisegnetoelektriki [Ferroelectrics and Antiferroelectrics]. Moscow, Nauka, 1971, 476 p. (In Russ.)BaTiO3-based piezoelectrics: Fundamentals, current status, and perspectives / M. Acosta, N. Novak, V. Rojas, S. Patel, R. Vaish, J. Koruza, G. A. Rossetti, J. Rödel // Applied Physics Reviews. 2017. Vol. 4, № 4. P. 041305. doi: 10.1063/1.4990046Acosta M., Novak N., Rojas V., Patel S., Vaish R., Koruza J., Rossetti G. A., Rödel J. BaTiO3-Based Piezoelectrics: Fundamentals, Current Status, and Perspectives. Applied Physics Reviews. 2017, vol. 4, no. 4, pp. 041305. doi: 10.1063/1.4990046Раевский А. С., Раевский С. Б. Комплексные волны. М.: Радиотехника, 2010. 223 с.Raevskii A. S., Raevskii S. B. Kompleksnye volny [Complex Waves]. Moscow, Radio engineering, 2010, 223 p. (In Russ.)Бейтмен Г., Эрдейи А. Функции Бесселя, функции параболического цилиндра, ортогональные многочлены // Высшие трансцендентные функции. Т. 2. 2-е изд. / пер. с англ. Н. Я. Виленкина. М.: Наука, 1974. 296 с.Bateman G., Erdelyi A. Higher Transcendental Functions. Vol. 2. New York, McGraw-Hill, 1953.Лаврентьев М. А., Шабат Б. В. Методы теории функций комплексного переменного. М.: Наука, 1973. 736 с.Lavrent'ev M. A., Shabat B. V. Metody teorii funktsii kompleksnogo peremennogo [Methods of the Theory of Functions of a Complex Variable]. Moscow, Nauka, 1973, 736 p. (In Russ.)Hornsby J. S., Gopinath A. Fourier Analysis of a Dielectric- Loaded Waveguide with a Microstrip // Electron. Let. 1969. Vol. 5. P. 265–267.Hornsby J. S., Gopinath A. Fourier Analysis of a Dielectric- Loaded Waveguide with a Microstrip. Electron. Let. 1969, vol. 5, pp. 265–267.Мироненко И. Г., Иванов А. А. Дисперсионные характеристики щелевых и копланарных линий на основе структуры "сегнетоэлектрическая пленка–диэлектрическая подложка" // Письма в ЖТФ. 2001. Т. 27, вып.13. С. 22–26.Mironenko I. G., Ivanov A. A. Dispersionnye kharakteristiki shchelevykh i koplanarnykh linii na osnove struktury "segnetoelektricheskaya plenka– dielektricheskaya podlozhka" [Dispersion Characteristics of Slot and Coplanar Lines Based on the Ferroelectric Film–Dielectric Substrate Structure]. Technical Physics [Zhurnal Tekhnicheskoi Fiziki]. 2001. Vol. 27, iss. 13, pp. 22–26. (In Russ.)Мироненко И. Г., Иванов А. А. Многощелевые линии передачи сверхвысоких частот на основе структуры "сегнетоэлектрическая пленка–диэлектрическая подложка" // ЖТФ. 2002. Т. 74, вып. 2. С. 68–73.Mironenko I. G., Ivanov A. A. Mnogoshchelevye linii peredachi sverkhvysokikh chastot na osnove struktury "segnetoelektricheskaya plenka– dielektricheskaya podlozhka" [Multi-Slot Transmission Lines of Ultrahigh Frequencies Based on the "Ferroe-lectric Film–Dielectric Substrate" Structure]. Technical Physics [Zhurnal Tekhnicheskoi Fiziki]. 2002, vol. 74, iss. 2, pp. 68–73. (In Russ.)On the Numerical Solution of Two-Dimensional Potential Problems by an Improved Boundary Integral Equations Method / G. F. Fairweather, J. Rizzo, D. J. Shippy, Y. S. Wu // J. Computational Phisics. 1979. Vol. 31. P. 96–112.Fairweather G. F., Rizzo J., Shippy D. J., Wu Y. S. On the Numerical Solution of Two-Dimensional Potential Problems by an Improved Boundary Integral Equations Method. J. Computational Phisics. 1979, vol. 31, pp. 96–112.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.