Ein von QWED gelieferter Fabry-Pérot-Resonator (Fabry-Pérot Open Resonator, FPOR) ermöglicht die genaue Charakterisierung dielektrischer Schichten im Frequenzbereich von 110 GHz bis 170 GHz mit nur einer einzigen Messvorrichtung.
Softwaregesteuerter Messaufbau mit Fabry-Pérot-Resonator, einem R&S®ZNA26 Vektornetzwerkanalysator und zwei R&S®ZC170 Millimeterwellenkonvertern.
Ihre Anforderung
Sie müssen die Mikrowelleneigenschaften einer dielektrischen Folie eines Materials ermitteln, das Sie selbst herstellen oder von einem Dritthersteller kaufen. Dieses Wissen kann entweder bei der Optimierung des Materialherstellungsprozesses oder beim Entwurf einer Millimeterwellenschaltung, beispielsweise für 6G-Technologien, nützlich sein.
Bei dem Material kann es sich um Polymere (z. B. Polypropylen, Polyvinylchlorid), Leiterplattensubstrate (z. B. FR-4, RT5880), Glas (z. B. Quarzglas, Borsilikate) oder monokristalline Wafer (z. B. Quarz, Saphir) handeln. Der Verlustfaktor des Materials kann nur 1 × 10–4 betragen und lässt sich im Bereich von 110 GHz bis 170 GHz immer noch mit herausragender Genauigkeit messen. Wenn eine nichtresonante Messvorrichtung, beispielsweise eine Freiraum- oder Hohlleiter-basierte Lösung, Ihre Anforderungen im D-Band nicht erfüllen kann, stellt der Fabry-Pérot-Resonator (Fabry-Pérot Open Resonator, FPOR) eine Alternative dar.
Der FPOR bietet eine genaue Technik zur Messung der komplexen Permittivität dielektrischer Filme im Frequenzbereich von 110 GHz bis 170 GHz mit einer Auflösung von 1,5 GHz. Für die Messung werden neben der FPOR-Vorrichtung ein R&S®ZNA26 Vektornetzwerkanalysator (VNA) mit zwei Messtoren und ein PC benötigt. Die Messung selbst lässt sich automatisch, schnell und einfach durchführen. Im D-Band wird zusätzlich ein Hohlleiteradapter benötigt, um die beiden R&S®ZC170 Millimeterwellenkonverter mit dem koaxial gekoppelten FPOR zu verbinden.
Die Charakterisierung des zu testenden Materials (material under test, MUT) wird im FPOR bei aufeinanderfolgenden ungeraden Gauß'schen Moden durchgeführt, die als TEM0,0,q bezeichnet werden, wobei q die Ordnung der Längsmode ist. Das MUT befindet sich typischerweise genau in der Mitte des Resonators, im Taillenbereich des Gauß-Strahls, wo das elektrische Feld sein Maximum erreicht. Das MUT wird auf einem speziellen Probenhalter aus Polycarbonat mit einer kreisförmigen Öffnung in der Mitte (Außendurchmesser < 50 mm) in den FPOR eingesetzt. Wenn die Probe in den FPOR passt, ist die Messung zerstörungsfrei und es ist keine spezielle Vorbereitung des MUT erforderlich.
Rohe Messdaten, insbesondere Änderungen der Resonanzfrequenz und des entsprechenden Q-Faktors durch Einsetzen des MUT, werden in die Dielektrizitätszahl (Dk) bzw. den Verlustfaktor (Df) übersetzt. Für die Bestimmung der Dk werden Lookup-Tabellen der Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von der Dicke und der Dk des MUT bereits in einer Vorverarbeitungsphase berechnet. Dabei kommt ein elektromagnetisches Modell des Fabry-Pérot-Resonators (FPOR) zum Einsatz.
Sobald die Dk des MUT ausgewertet ist, wird der entsprechende Df mit Hilfe der folgenden Formel berechnet:
Sie müssen die Mikrowelleneigenschaften einer dielektrischen Folie eines Materials ermitteln, das Sie selbst herstellen oder von einem Dritthersteller kaufen. Dieses Wissen kann entweder bei der Optimierung des Materialherstellungsprozesses oder beim Entwurf einer Millimeterwellenschaltung, beispielsweise für 6G-Technologien, nützlich sein.
Bei dem Material kann es sich um Polymere (z. B. Polypropylen, Polyvinylchlorid), Leiterplattensubstrate (z. B. FR-4, RT5880), Glas (z. B. Quarzglas, Borsilikate) oder monokristalline Wafer (z. B. Quarz, Saphir) handeln. Der Verlustfaktor des Materials kann nur 1 × 10–4 betragen und lässt sich im Bereich von 110 GHz bis 170 GHz immer noch mit herausragender Genauigkeit messen. Wenn eine nichtresonante Messvorrichtung, beispielsweise eine Freiraum- oder Hohlleiter-basierte Lösung, Ihre Anforderungen im D-Band nicht erfüllen kann, stellt der Fabry-Pérot-Resonator (Fabry-Pérot Open Resonator, FPOR) eine Alternative dar.
Qt ist der Qualitätsfaktor des Resonators mit einer Probe, während Q0 den Q-Faktor ohne Probe bezeichnet. Der Parameter pe stellt den elektrischen Energiefüllfaktor des MUT dar. Letzterer wird anhand einer Frequenz-Inkrementalregel bestimmt.
QWED bietet eine leistungsfähige Lösung zur elektromagnetischen Materialcharakterisierung mit Hilfe eines Fabry-Pérot-Resonators.
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Die Dk-Unsicherheit wird hauptsächlich und fast direkt durch die Unsicherheit der MUT-Dicke bestimmt. Zum Beispiel führt eine Unsicherheit von 1 % in der Dicke zu einer Unsicherheit von etwa 1 % in Dk. Die Genauigkeit der Dk-Messmethode selbst beträgt 0,25 %, vorausgesetzt, dass gute Messbedingungen sichergestellt werden. Zusätzlich werden Schwankungen durch Temperaturdrift ausgeglichen.
Die Unsicherheit des Verlustfaktors Df hängt von mehreren Faktoren ab wie der Dicke des MUT, dem Df-Wert, den Einstellungen des Vektornetzwerkanalysators sowie Vibrationen. Mit einem Q-Faktor von deutlich über 200 000 lässt sich jedoch eine Unsicherheit von unter ± 5 % erreichen, selbst für Materialien mit Verlusten von nur 1 × 10–4.
Da die im FPOR genutzten Gauß'schen Moden linear polarisiert sind, kann die ebene Anisotropie (in-plane anisotropy) für die Probe gemessen werden – ein Vorteil, den alternative Resonanzverfahren nicht bieten. Verschiedene Materialtypen können eine solche ebene Anisotropie aufweisen, entweder aufgrund ihrer physikalischen Struktur (z. B. Kristalle) oder bedingt durch den Herstellungsprozess (z. B. bestimmte Polystyrolfolien). Wird eine solche Probe willkürlich in den FPOR eingesetzt, ist es sehr wahrscheinlich, dass eine Modenaufspaltung auftritt, wodurch zwei Resonanzfrequenzen entstehen. In diesem Fall muss die Probe gedreht werden, bis eine der Resonanzkurven verschwindet. Anschließend kann die Messung der komplexen Permittivität fortgesetzt werden. Daraufhin wird die Probe um weitere 90 Grad gedreht und der gesamte Vorgang wiederholt. Normalerweise weist Df keine so starke Anisotropie auf wie Dk.
