Котельников І В, Буслов О Ю, Кейс В Н, Козирєв А Б Санкт-Петербурзький державний електротехнічний університет ім Леніна «ЛЕТІ»

м Санкт-Петербург, 197376, Росія тел: (812) 234-48-09, e-mail: mlp@eltechru

Анотація – Запропоновано методику для вимірювання діелектричної проникності і тангенса кута діелектричних втрат сегнетоелектричних плівок на діелектричній підкладці за допомогою хвилеводно-діелектричного резонатора (ВДР) Наведено результати вимірювань сегнетоелектричних плівок, а також LTCC структур на частоті – 30 ГГц

I                                       Введення

На сьогоднішній день сегнетоелектріки широко використовуються в якості активного елементу в енергонезалежних елементах памяті Проте останнім часом в СВЧ діапазоні найбільший інтерес проявляється до використання сегнетоелектричних (СЕ) плівок з метою створення особливого роду схем, що загострюють фронти імпульсів – «обострітель імпульсів», – для застосування їх в сверхшірокопо-лисніють системах звязку і пеленгації Вибір сегнетоелектриків насамперед зумовлений високою швидкодією, можливість роботи при підвищених рівнях СВЧ ПОТУЖНОСТІ, низьким рівнем споживання енергії управління, низької вартості матеріалу Для створення пристроїв необхідно знати і вміти вимірювати СВЧ параметри СЕ плівок Нижче запропонована методика, що дозволяє вимірювати тангенс кута діелектричних втрат (tan6), а так само величину діелектричної проникності (ε) сегнетоелектричних плівок, нанесених на підкладки

Рис 1 Хвилеводно-діелектричний резонатор містить двошаровий зразок

Fig 1 Waveguide-dielectric resonator with a doublelayer sample

II                               Основна частина

Представлена ​​методика для вимірювання параметрів діелектричних підкладок не нова і широко відома [1] Особливість запропонованої методики полягає у використанні математичного апарату, що враховує вплив плівки нанесеною на діелектричну підкладку (двошарова структура) на резонансну частоту і добротність розглянутого резонатора Схематично резонатор зображений на рис1 Резонатор являє собою відрізок позамежного хвилеводу 1, 4 прямокутного перерізу з діелектричної неоднорідністю 2, 3 (зразком), повністю перекриває перетин позамежного хвилеводу [2] Збудження резонатора виробляється полями не поширює в позамежному хвилеводі ХВИЛЬ Розміри зразка вибираються таким чином, щоб у місці його розташування могла поширюватися хвиля основного типу Тею

Дпя отримання дисперсійного рівняння, на основі якого МОЖНА розрахувати діелектричну проникність шарів, необхідно зшити електромагнітні поля на кордонах повітря-діелектрик і плівка-підкладка Для випадку симетрично розташованого діелектричного зразка, отримане дисперсійне рівняння виглядає наступним чином:

де CS = cos p ^ t-sin p ^ s, sc = sinp ^ t-cosp ^ s, cc = cospjt-cosp ^ s, ss = sinpjt-sinp ^ s, Pi ~ поздовжні хвильові числа /-ої області, d – половинна довжина позамежного ділянки хвилеводу, f-товщина плівки, S-товщина підкладки Поперечний хвильове число для будь-якій області резонатора визначається однозначно і залежить тільки від розмірів хвилеводу і типу коливань

Тангенс кута діелектричних втрат досліджуваної плівки розраховується за формулою:

де \ Α/ς- сумарна енергія, запасена в резонаторі із зразком, Q – власна добротність резонатора з зразком, Р ^ – ПОТУЖНІСТЬ, повязана з втратами в металевих стінках резонатора, І / лл, Wnofln – енергії, запасені в плівці і підкладці, tgSnodn – тангенс кута діелектричних втрат підкладки

III                                   Експеримент

На основі розробленого математичного апарату були проведені аналітичні розрахунки деяких варіантів одношарових і двошарових структур Ці ж варіанти були прораховані з використанням тривимірної моделює програми Ansoft HFSS 80 Результати розрахунків наведено в табл 1

Результати розрахунків та компютерного моделювання підтвердили високу точність аналітичної моделі

Для проведення вимірювань був розроблений і виготовлений вимірювальний макет Резонатор представляв собою відрізок хвилеводу, розрізаного для приміщення всередину зразка, уздовж поздовжньої осі паралельно вектору електричного поля Перетин позамежного ділянки вимірювальної секції для вимірювань в частотному діапазоні -30 ГГц була обрана 30×34 мм ^ Довжина позамежного ділянки хвилеводу вибиралася такою, щоб коефіцієнт передачі вимірювальної секції був більш-20дБ і становила 90 мм

Табл 1 Результати розрахунків ВДР з перетином позамежної області хвилеводу 30х34мм ^ Table 1 Calculated WDR parameters with cut-off cross

section 30 X 34 mm^

where Ci = cospji-sinpji > ic = sinpji-cosp3i > cc = COSp^t-COSPjS ’ SS = sinp^t-sinp,s · p, – longitudinal wave number of / region, d~ half of the length of cut-off waveguide, t – film thickness, s – substrate thickness

Loss tangent ofthe investigated film is calculate by:

Були досліджені сегнетоелектрічеськие плівки товщиною-1мкм, нанесені на підкладки з поликор Величина діелектричної проникності досліджуваної плівки склала -490, що відповідає результатам низькочастотних вимірювань контрольних сегнетоелектричних варакторов, виготовлених на тій же підкладці в єдиному технологічному цікпе Тангенс кута діелектричних втрат, за результатами розрахунків, вийшов завищеними в порівнянні з вимірами альтернативним електродним методом (хвилеводно-щілинна лінія з включеним ва-рактором tan6 = 0035) і склав -005 на частоті ЗОГГц Ця невідповідність може бути повязано з наявністю повітряних торцевих зазорів, що утворилися при приміщенні зразка в хвилевід

Також були досліджені три види зразків LTCC, вироблених різними фірмами з товщинами 025Н-200 мм Величини діелектричної проникності підкладок лежали в діапазоні 63н-80, і тангенс кута діелектричних втрат в діапазоні 00025н-00045 для різних зразків Компютерне моделювання вимірювальної комірки показало, що похибка вимірювання діелектричної проникності одношарових зразків складає -3% І – (10н-15)% для визначення тангенса кута діелектричних втрат

IV                                   Висновок

Створена і апробована методика ВДР для вимірювання параметрів шаруватих діелектриків Величина похибки вимірювань діелектричної проникності плівок товщиною не менше 1 мкм не перевищує 10%, а величини тангенса кута діелектричних втрат 25%

V                            Список літератури

[^] Діелектричні резонатори, під ред М Ільченко, Москва, 1989

[2] Dielectric resonators D Kajtez and P Gnillon, eds, Artech House, 1986

WAVEGUIDE DIELECTRIC RESONATOR METHOD FOR MEASURE MICROWAVE DIELECTRIC FILMS PROPERTIES

Kotelnikovl V, Buslov O Yu, Keis V N, Kozyrev A B

Saint-Petersburg State Electro Technical University Saint Petersburg, 197376, Russia Ph: (812) 234-48-09, e-mail: mlp@eltechru

Abstract – The design principles for microwave ferroelectric (FE) films a properties (loss tangent, permittivity) measurement on the base of Waveguide Dielectric Resonator (WDR) is developed The results of FE films and LTCC measurements at frequency 30GHz are presented

I                                         Introduction

Today the ferroelectric elements are widely used in nonvolatile memory However recently the interest for FE materials in microwave applications such as «реакег» for wideband communication and direction-finding systems is shown The choice of FE materials is connected with high fast-acting, high power capability, low control power, cheap manufacturing of elements To create these devices the microwave properties of the FE films parameters must be measured The method for measure permittivity and loss tangent of FE films applied to substrate is presented below

II                                        Main Part

The feature of presented method is the usage body of mathematics, which allows film influence to resonance frequency, and quality factor of observable resonator Schematically the resonator is shown on Fig1 The measured sample consists of substrate 3 and film 2 It put at the middle ofthe cutoff waveguide section as shown on Fig1 The dispersion equation for design permittivity one-layer properties of the double layer sample is:

where \Νς – total energy stored in resonator with sample, Q – quality factor of resonator with sample, P„ – metal power dissipated in waveguide walls, Wsub – energies stored in film and substrate, tgSsub – loss tangent ofthe substrate

The mathematical calculation and program simulation (Ansoft HFSS 80) results of the different variants one-, two layer samples are presented in Table 1

The test fixture for microwave (~30GHz) measurements by WDR method was manufactured The dimension of cross- section is 30×34 mm^ The length of cut-off waveguide is such to provide transmit power more than -20dB

The FE films with thickness ~1 micron applied on alumina substrate were investigated The value of film permittivity -490, and loss tangent -005 at frequency 30GHz was measured

There are three types LTCC with thicknesses 025^20 mm were measured The error of permittivity definition one layer sample is -3 % and ~(10^15)% for loss tangent

III                                       Conclusion

The WDR technique for measure double-layer dielectrics’ properties was developed and tested The error of permittivity definition of films with thickness more than 1 micron is less than 10 %, and for loss tangent less than 25 %

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р