文摘

技术基于固定探测器在使用反射微波反射计作为一种新的诊断工具检测皮肤癌症,对复介电常数测量液体样品和油页岩,和动物的器官和组织的复杂介质介电常数测量微波波段的现代兽医的需要。在这项工作中,我们已经开发出一种技术来描述多层材料宽带频率范围。反射专门开发的同轴探针微电子衬底。使用SMA连接器,损耗角正切的10⁻⁴和相对介电常数测量的误差为0.145%。扩展反射技术的同轴探针多层基板缩醛树脂、聚四氟乙烯等允许测量双层材料提供了良好的知识一层的电气参数和尺寸。在同轴传输线方法中,一个因素大大影响结果的准确性测试材料之间的空气间隙和同轴测试夹具。在这篇文章中,我们已经讨论了空气间隙的影响(使用0.5毫米间隙气体样品)的,可以采取措施减少影响当材料测量。内在价值从而决定已被实验验证。我们已经描述了测试夹具的结构,其校准问题,和实验结果。最后,电磁模拟显示,可以获得最好的结果。

1。介绍

在这篇文章中,我们已经开发出一种方法使用同轴固定,允许提取反映基质的电气参数的测量。这个同轴探针接触的结束与样品和校准的短路。验证我们测量了聚四氟乙烯和缩醛树脂(梨果)。验证的方法是首先在单层多层基板材料和第二。我们相反的位置的材料(缩醛树脂、聚四氟乙烯),那么(Teflon-Delrin)来检查他们的不对称。在多层测量我们使用聚四氟乙烯作为参考材料。

2。方法的原理

图1显示与样本的结构以及参考计划的测量方法。我们的方法需要六个措施:在第一步,我们执行的一个方式而已11个参数在开路和短路的另一个校准。在第二步我们测量11线参数没有样本,终止与开路和短路。在第三和最后一步,我们测量11个参数与样本终止与短路和开路。

从计划P1, P2,如图1,我们使用以下公式(1),与lP0, P1之间的长度:

3所示。表示同轴结构的反射

同轴框架是一个同轴电缆由一个中心导体和圆柱外铝导体。这条线是连接到测试人员通过SMA连接器,这是放置在一个以测量结束11个参数的电参数提取的材料(2]。终止的同轴电缆连接短路或开路,使材料在测试是在直接接触短路(图1)。

建模的框架我们已经计算输电线路的参数,以及样品的尺寸特征在继续之前的模拟步骤。

4所示。电磁仿真和验证

我们模拟的结构框架,没有样品的损失和无损介质使用CST和HFSS11.1模拟器。仿真是用以下步骤。

4.1。阻抗匹配带宽

测试结构包括一个辐射同轴传输线在半无限环境中与给定厚度和结束由一个金属板短路。内径的比值()和外导体(),传输线的特性阻抗等于50Ω没有样品。

4.2。提取介质的电气参数

S11参数,通过仿真,允许方便地访问传播阶段在的存在和没有材料。考虑 在哪里的阻抗特征函数参数,是传播常数,线的长度。

在介电材料的缺乏,我们有 在介电材料的存在 在哪里是线的特性阻抗。

这两个参数的措施(3,4)允许容易访问,从理论上讲,参数和介电材料。

从线路阻抗短路和开路,提取传输线的传输参数,我们可以测量的11反射参数在两个不同的配置,即线短路和开路(5]。任何传输线可以表示为其传播常数(,)。

输入阻抗阻抗的传输线加载是由以下表达式: 在短路的情况下(),输入阻抗的线是写成 在哪里是标准的阻力等于50欧姆,是一个反射系数。

对于一个开路的阻抗在输入线

4.3。提取复杂的相对介电常数

复杂的相对介电常数和损耗角了 在哪里有效的相对介电常数和吗是介电损失。

4.4。加工的样品

先进的测量技术的假设同轴电缆(单个TEM的传播模式在所有区域的线)要求的完整填充横剖面线的示例(图2)。这涉及到强烈的样品环加工约束,因为之间的气隙的存在和导电的线。

虽然机械公差加工过程的结束了很低,样品的手动插入线内不可避免地意味着一个气隙的存在。它将影响测量结果的准确性。为了说明这个问题,我们研究了这些错误的影响介质介电常数的测定。错误的测量由于空气的存在空间样本和线导体之间逐渐随着频率的增加。为此,我们建立了一个校正(5毫米长,样品没有气隙)。

4.5。气隙的调整

在这些模拟和减少参数的数量,我们已经假定材料和外导体之间的气隙为零。图5显示错误迅速增加空气空间的厚度和材料的介电常数的值。这的影响降低测量介电常数的值。

纠正错误与缺陷的测试设备(如分析仪的连接电缆、同轴锥形/同轴转换与不连续线/指南,和金属损失有限电导率的导体用来制造各种元素的对齐方式)我们添加了公式(9),MathCAD项目。一个公式被导出估计有效的复介电常数从三个同轴的总电容组成的混合物层,空气、散装材料,和空气: 在哪里是名义上的复介电常数,和是样品持有人的内外半径,然后呢和的内外半径样本。获得一个差距校正公式,这个方程可以被重命名重新安排和(纠正复介电常数)和解决(11)。

壁厚计算,减去样品的内径外径和差除以2。

提取初始介电损耗,我们模拟一个情况()损失和()无损的电介质。两者的区别中提取电子导率给出了介质的导电性修正后的以下几点: 导电率的修正使我们找到它的实际价值。这允许得出选择模型和应用萃取过程是好的。

在实践中,我们没有材料没有损失,不能执行介电测量没有损失。

从(9我们获得 正确的偏心误差我们添加以下公式: 在哪里,,是一个在内径偏差分数,之间的气隙中心导体和样本,然后呢是古怪的参数。

没有偏心和完整的偏心。

5。仿真结果

仿真结果的数据集1来8萃取后得到的介电常数11个参数。在数据3和4,我们可以看到,相对介电常数的实部(缩醛树脂)和介电损失减少,当频率和空白的价值增加,而图5表明,缩醛树脂相对介电常数误差的增加的价值差距和弱线没有差距。校正后,数据的结果6,7,8显示明显的改善结果和取消气隙的影响。我们看到三条曲线合并成一个,特别是对于介电损失。

6。实验验证

开始测量之前,我们必须定义参考计划将支持细胞的实际实现,然后执行校准程序,消除系统误差的测量反射系数。最后,我们验证的实现方法测量介质材料复介电常数的著名的属性。

6.1。实现测量细胞

确保测量的代表性上执行不连续线/指导样品的电磁特性,测量细胞必须有一个外径等于11.5毫米。在这种情况下,测量元件的连接到矢量网络分析仪需要使用同轴/哄过渡。这种转变在于SMA连接器,适用于网络的连接电缆分析器(直径3.5毫米)和同轴锥形部分确保进步变化的线之间的同轴电缆的直径和不连续,这一条线直径5毫米(图9)。

限制传播运用锥形截面不连续,外导体的内部直径之间的比例和中心导体的直径,在整个长度的部分,2.3毫米(50欧姆阻抗匹配条件)。

6.2。实验结果

利用反射的措施中,我们使用一个网络分析仪VNA.E5062A类型。这意味着定位参考反射系数的测量计划结束时同轴接入线路的正面圆柱形样本特征(图10)。

实验结果的数据11,12,13分别呈现相对介电常数、介电损失,和聚四氟乙烯的相对介电常数误差(样品15毫米)。在数据14,15,16,17,18我们把缩醛树脂的参数。这些结果被认为是很好的自获得所有这些参数的值非常接近典型值在这个频率范围。数据17和18获得了缩醛树脂没有气隙(5毫米的样品)。我们可以注意到,在图18后,损失小于0.1 50 MHz。相同的样本,在相同的条件下,仿真和实验结果非常接近。这好协议证明,修正测量使用设备短路、开路、标准材料,使用技术和校准程序是成功的在整个频带。

在数据18和19分别,我们情节相对介电常数和相对磁导率和磁损耗的聚四氟乙烯(5毫米长,样品没有气隙)。这些数字表明,该损失是常数在整个频率范围内。图20.缩醛树脂说明了相对介电常数(5毫米长,气隙的样本在内径0.5毫米)。红色的痕迹是修正后的值,通过使用(11)和(12考虑气隙的影响。

我们现在,分别在图21,最初的和纠正值聚四氟乙烯的相对介电常数(5毫米长,气隙的样本在内径0.5毫米)。我们注意到,提高校正后,相对介电常数。

7所示。多层材料的应用方法

我们将表明,该方法也可以应用,成功,多层材料。我们主要依靠反射的同轴探针的原则。让我们放一个双层介质在金属腔(图(22日))。在图2我们转化层的位置。在文学,研究表明,同轴探针的表面敏感的样品接触中央导体(6]。这种敏感性是由于电磁场的分布中央附近的导体(7,8]。这意味着整个电容创造不一样的方向样本(≠ )。

7.1。提取每一层的复介电常数

我们认为最大的双层介质接触的金属表面(C点)需要整体损失取决于样品的方向。此外,在两种电介质的界面(B点),电容是一样的不管样品的方向。

我们知道 当我们把(13)(14我们获得第一层的有效介电常数的函数的引用: 这种提取方法的特权不一定是基于先验知识的每一层的厚度。聚合层的厚度必须知道为了满足测试框架的尺寸。

7.2。实验结果

我们在数据绘制23和24分别的相对介电常数和磁损失迭尔林(样本5毫米没有气隙)。在图23我们表明,读图代表缩醛树脂的相对介电常数影响方法获得,praticallly相同的蓝色情节获得单样本,在相同的频率范围10 MHz至1 GHz但公认的价值是直到100 MHz,如图24;在这一系列frequecy 10 MHz之间的介电损失2%,5%在100 MHz。我们已经获得了良好的精度。

使用同轴固定在反射多层膜材料的特点导致了令人满意的结果。介质缩醛树脂的应用允许我们的证明方法的可行性。

与此同时,该方法是基于一层的电气参数的原则是众所周知的,全球的层厚度精确已知。

8。结论

我们提出了同轴探针技术腔描述单和双分子层材料。其可行性验证了电磁仿真结果和实验结果完成实验后测试框架比铜轻铝。

这种技术适用于电介质和半导体。它是完全基于反射参数使用电容模型,有助于增加频带的模型。虽然尚未努力的改进,特别是在提取损失多层材料,这种方法很容易实现和快速提取电气参数和精确的可重复性的相对误差约为5%。这种方法提供了可能性中提取低损耗角正切(2·10⁻⁴)使用SMA连接器1 GHz。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。