Расчет и измерение диэлектрических параметров керамических и сегнетоэлектрических материалов в диапазоне СВЧ

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

1. Ширман Я. Д. Радиоволноводы и объемные резонаторы. М.: Связьиздат, 1959. 379 с.

2. 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.2013.2258465

3. Геворкян В., Кочемасов В. Объемные диэлектрические резонаторы – основные типы, характеристики, производители // Электроника НТБ. 2016. № 4. С. 62–76.

4. 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.10204

5. 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.

6. Капилевич Б. Ю. Волноводные диэлектрические фильтры. М.: Связь, 1980. 136 с.

7. Вендик О. Г., Иванов И. В., Соколов А. И. Сегнетоэлектрики в технике СВЧ / под ред. О. Г. Вендика. М.: Сов. радио, 1979. 272 с

8. Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики / Г. А. Смоленский, В. А. Боков, В. А. Исупов и др. // М.: Наука, 1971. 476 с.

9. 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: 10.1063/1.4990046

10. Раевский А. С., Раевский С. Б. Комплексные волны. М.: Радиотехника, 2010. 223 с.

11. 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.

12. Лаврентьев М. А., Шабат Б. В. Методы теории функций комплексного переменного. М.: Наука, 1973. 736 с.

13. Hornsby J. S., Gopinath A. Fourier Analysis of a Dielectric- Loaded Waveguide with a Microstrip // Electron. Let. 1969. Vol. 5. P. 265–267.

14. 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.

15. 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.

16. 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.