FPOR(Fabry-Perot Open Resonator, 파브리-페로 개방 공진기)을 이용한 D band Dk/Df 측정

목표

직접 제작하거나 타사 제조업체에서 구입한 재료의 유전체 시트에 대한 Microwave 특성을 이해해야 합니다. 이 정보는 재료 생상 공정 최적화 또는 밀리미터파 회로설계에 중요할 수 있습니다(예: 6G 기술 목적용).

이러한 재료의 예를 들면 폴리머(예: 폴리프로필렌, 폴리염화비닐), PCB 기판(예: FR-4, RT5880), 유리(예: 용융 석영, 붕규산염), 단결정 웨이퍼(예: 석영, 사파이어) 등이 있습니다. 재료의 손실 탄젠트는 최저 1 × 10⁻⁴까지 가능하며, 110 GHz ~ 170 GHz 범위에서도 매우 정확한 측정이 가능합니다. D band에서 자유 공간 또는 도파관 기반 솔루션과 같은 비공진 측정 장치로 요구 사항을 충족할 수 없는 경우 FPOR(파브리-페로 개방 공진기)을 사용해 보십시오.

FPOR 기반 솔루션

FPOR은 110 GHz ~ 170 GHz 주파수 대역에서 1.5 GHz 분해능으로 유전체 박막의 복소 유전율을 측정하는 정확한 기술을 제공합니다. FPOR 장치 외에도, 쉽고 빠른 자동 측정을 위해 2포트 R&S®ZNA26 VNA(Vector Network Analyzer)와 PC가 필요합니다. D band에서는 R&S®ZC170 Millimeterwave Converter 두 대를 동축 결합 FPOR에 연결하는 데 도파관 어댑터도 필요합니다.

MUT(Material under Test, 피시험 재료)의 특성 분석은 연속적인 홀수 가우시안 모드(TEM0,0,q로 표기, 여기서 q는 종방향 모드 차수를 나타냄)에서 FPOR(파브리-페로 개방 공진기)을 통해 수행됩니다. MUT는 일반적으로 전기장의 최대값에서 가우시안 빔 웨이스트의 공진기 정중앙에 정확히 위치합니다. MUT는 중앙에 원형 개구부(외경 < 50mm)가 있는 전용 폴리카보네이트 샘플 홀더에 장착하여 FPOR에 삽입합니다. 샘플이 FPOR에 맞을 경우 비파괴적 측정이 가능하며 MUT에 대한 특별 조치가 필요하지 않습니다.

Raw 측정 데이터, 특히 MUT 삽입으로 인한 공진 주파수의 변화와 해당 Q 인자는 각각 Dk(유전 상수)와 Df(소산 인자)로 변환됩니다. Dk(유전 상수)를 계산할 때에는 전처리 단계에서 FPOR의 EM(전자기) 모델을 이용하여 MUT(피시험 재료)의 두께와 Dk(유전 상수)의 함수로서 공진 주파수의 조회표를 계산합니다.

MUT의 Dk가 계산되면 아래 식을 사용하여 해당 Df가 계산됩니다.

Q_t는 샘플이 있는 공진기의 Q 인자, Q₀는 샘플이 없는 공진기의 Q 인자이며 p_e는 MUT의 전기 에너지 충전 계수를 나타냅니다. 후자는 주파수 증분 규칙을 사용하여 계산합니다.

유전 상수 및 손실 탄젠트 측정

Dk 불확실성은 대부분 거의 직접적으로 MUT의 두께 불확실성에 의해 좌우됩니다. 예를 들어, 두께 불확실성이 1%일 경우 Dk 불확실성은 약 1%가 됩니다. Dk 측정 방법 자체의 정확도는 적절한 측정 조건이 유지된다는 전제 하에 0.25%입니다. 추가적으로, 열 불안정성으로 인한 변동이 보상됩니다.

Df 불확실성은 MUT의 두께, Df 레벨, 벡터 네트워크 분석기 설정 및 진동 등 여러 요인에 따라 달라집니다. 하지만 200,000을 크게 초과하는 Q 인자를 사용하면 손실이 최저 1 × 10^-4인 재료에 대해서도 ±5% 이상의 불확실성을 달성할 수 있습니다.

FPOR(파브리-페로 개방 공진기)에 활용되는 가우시안 모드는 선형 편광이므로 다른 공진 방법으로는 불가능한 샘플의 평면 내 이방성을 측정할 수 있습니다. 다양한 종류의 재료가 물리적 구조(예: 결정) 또는 재료 가공(예: 일부 폴리스티렌 필름)으로 인해 이와 같은 평면 내 이방성을 나타낼 수 있습니다. 이러한 샘플을 FPOR에 임의로 삽입하면 모드 분할이 발생하여 두 개의 공진 주파수가 존재할 가능성이 매우 높습니다. 이 경우 공명 곡선 중 하나가 사라질 때까지 샘플을 회전시켜야 합니다. 그런 다음 복소 유전율 측정을 계속할 수 있습니다. 그런 다음 샘플이 한번 더 90도 회전하고 전체 절차가 반복됩니다. 일반적으로 Df는 Dk만큼의 이방성을 나타내지 않습니다.