Mediciones Dk/Df en la banda D con un resonador abierto Fabry-Perot

Su misión

Deben conocerse las propiedades de microondas de una película dieléctrica del material que uno mismo produce o se compra de un fabricante externo. Este conocimiento puede ser de mucha utilidad en la optimización del proceso de producción del material o en el diseño de un circuito de ondas milimétricas, por ejemplo, para fines de a tecnología 6G.

Estos materiales pueden ser polímeros (p. ej. polipropileno, cloruro de polivinilo), substratos de PCB (p. ej. FR-4, RT5880), vidrio (p.ej. silicio fundido, borosilicatos) u obleas monocristal (p. ej. cuarzo, zafiro). La tangente de pérdida del material puede ser tan baja como 1 × 10–4 y aún así puede medirse con una precisión sobresaliente en el rango de 110 GHz a 170 GHz. Si un accesorio de medición no resonante, como una solución basada en espacio libre o guía de ondas, no puede satisfacer sus requisitos en la banda D, pruebe el resonador abierto Fabry-Pérot (FPOR).

Solución basada en FPOR

El resonador FPOR proporciona una técnica precisa para medir la permitividad compleja de las películas dieléctricas en la gama de frecuencias de 110 GHz a 170 GHz con una resolución de 1.5 GHz. Además del resonador FPOR, se requiere para la medición un analizador de redes vectoriales (VNA) R&S®ZNA26 con dos puertos y una computadora, la cual es automática, rápida y fácil de realizar. En la banda D, también se requiere de un adaptador de guías de ondas para conectar los convertidores de ondas milimétricas R&S®ZC170 al resonador FPOR acoplado por medio de un cable coaxial.

La caracterización del material empieza en el resonador FPOR en modos gaussianos impares consecutivos, indicados como TEM0,0,q, donde q es un orden de modo longitudinal. El material suele ubicarse exactamente en el centro del resonador en una cintura de haz gaussiano en el máximo del campo eléctrico. El material se inserta en el resonador FPOR en un soporte para muestras de policarbonato con una abertura circular en el medio (diámetro exterior < 50 mm). En caso de que la muestra encaje en el resonador FPOR, la medición no es destructiva y no se requiere de ninguna preparación especial del material.

Los datos de medición sin procesar, en particular los cambios tanto en la frecuencia de resonancia como en el factor Q correspondiente que se producen debido a la inserción del material, se traducen en la constante dieléctrica (Dk) y el factor de disipación (Df) respectivamente. Para la constante dieléctrica, se calculan tablas de búsqueda de la frecuencia de resonancia como una función del grosor y de la constante dieléctrica del material durante una etapa del preprocesamiento con un modelo electromagnético (EM) del el resonador FPOR.

Una vez que se evalúa la constante dieléctrica del material, se calcula el factor de disipación correspondiente por medio de la siguiente fórmula:

Q_t es el factor Q del resonador con una muestra y Q₀ sin una muestra, y p_e denota un factor de llenado de energía eléctrica del material. El último se evalúa con una regla de frecuencia incremental.

Medición de la constante dieléctrica y de la tangente de pérdida

La incertidumbre de la constante dieléctrica (Dk) es producida principalmente y casi directamente por la incertidumbre del espesor del material. Por ejemplo, el 1 % de la incertidumbre del espesor provoca el 1 % de la incertidumbre de la constante dieléctrica. La precisión del propio método de medición de la constante dieléctrica es del 0.25 %, siempre y cuando se mantengan condiciones de medición decentes. Además, se compensan las fluctuaciones ocasionadas por desplazamientos térmicos.

La incertidumbre del factor de disipación (Df) depende de muchos factores, como el espesor del material, el nivel de incertidumbre del factor de disipación, la configuración del analizador de redes vectoriales y vibraciones. Sin embargo, un factor Q muy por encima de 200 000 permite alcanzar una incertidumbre mejor que ±5 %, incluso para materiales con pérdidas tan bajas como 1 × 10^–4.

Debido al hecho de que los modos gaussianos explotados en el resonador FPOR se encuentran linealmente polarizados, puede medirse la anisotropía en el plano de la muestra, lo cual no es posible con métodos resonantes alternativos. Diversos tipos de materiales pueden presentar esta anisotropía en el plano debido a su estructura física (p.ej. cristales) o al procesamiento del material (p. ej. algunas películas de poliestireno). Si una muestra de este tipo, se inserta de manera arbitraria en el resonador FPOR, es casi seguro que se produzca una división de modos y, a su vez, se presenten dos frecuencias de resonancia. En este caso, la muestra debe girarse hasta que una de las curvas de resonancia desaparezca. A continuación, puede seguirse con la medición de la permitividad compleja. Finalmente, la muestra se gira otros 90 grados y se repite todo el procedimiento. Por lo general, el factor de disipación no muestra anisotropía tanto como lo hace la constancia dieléctrica.