Epsilometer misst Permittivität

Copper Mountain Epsiolometer

Analyse von Mikrowellen-Substraten mit Hilfe eines kosteneffizienten Epsilometers

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Messungen von Mikrowellensubstraten bis 3 mm für den Bereich Halbleiter und Materialwissenschaften. In den letzten Jahren gab es eine stetige Entwicklung der drahtlosen Technologien im Forschungsbereich. Der Bedarf an alltäglichen Konsumgütern wie Mobiltelefonen, Elektrofahrzeugen, RFID-Scannern usw. beinhaltet die Verwendung von Halbleitern. Dies führte zu einem Ansatz für bessere Tools zur Unterstützung der Entwicklung drahtloser Technologien, da sich all diese Anwendungen um den Prozess der Charakterisierung der dielektrischen Materialien herum entwickeln.

Copper Mountain Technologies (CMT), ein führender Hersteller von High-End-VNA bis 330 GHz, hat mit Compass Technologies zusammengearbeitet, um ein 6-GHz-HF-Epislometer zu entwickeln. Dieses stellt den Kunden eine maßgeschneiderte Lösung bereit, die bei der Charakterisierung der Parameter von dielektrischen Substraten hilfreich sein kann. Im Allgemeinen enthält das Epsilometer-System einen 1-Port-6-GHz-VNA (Vektor-Netzwerk-Analysator) und wird unter einem Parallelkondensator platziert. Bild 1 zeigt einen Überblick über den Aufbau der Messvorrichtung. Das primäre Konzept des Epsilometers basiert auf der rechnergestützten elektromagnetischen Modellierung, um die Dielektrizitätskonstante und den Verlust umzukehren. Aus diesem Grund hilft es, die Messungen bis zu 6 GHz und die Begrenzungen der parasitären Impedanz durchzuführen, indem das Gerät mit einem elektromagnetischen Vollwellen-Berechnungscode modelliert wird. Der Inversionsalgorithmus wandelt die gemessene Halterungsreflexion (S11) in dielektrische Eigenschaften der zu testenden Probe um. Im Gegensatz dazu haben andere, herkömmliche dielektrischen Epsilometer-Analysatoren eine Frequenzbegrenzung von max. 1 GHz.

Der griechische Buchstabe Epsilon (ε) steht in der Physik (Elektrodynamik und Elektrostatik) für die Permittivität, Dielektrizität oder dielektrische Leitfähigkeit. ε wird daher auch die Dielektrizitätskonstante genannt. Sie beschreibt die Polarisationsfähigkeit von elektrisch isolierenden Materialien durch elektrische Felder.
Die hier beschriebene Epsilometerlösung dient zur Messung der dielektrischen Eigenschaften von dielektrischen Substratmaterialien.

Aufbau des Epsiolometers

Beschreibung des Epsilometers

Im Prinzip ist es bei Frequenzen im Bereich über 1 GHz erforderlich, dass die Vorrichtung von einem 1-Port-HF VNA angesteuert wird. Da sowohl reale als auch imaginäre Permittivitäten erwünscht sind, muss der Analysator sowohl Amplitude als auch Phase messen. Abgesehen davon bietet diese Lösung mit 1-Port-Analysatoren eine High-Fidelity-Messfähigkeit in einem kleinen Formfaktor. Dank des kleinen Formfaktors kann der Benutzer die Messungen sogar mit Hilfe eines Tablets durchführen, da dieses Setup im Gegensatz zu den anderen Analysatoren auf dem Markt keine traditionell HF-Kabel beinhaltet. Bild 2 zeigt die detaillierte Beschreibung des Epsilometers. Der Netzwerkanalysator ist darunter montiert und die Übertragungsleitung vom Anschluss des Netzwerkanalysators ist mit der unteren Elektrode mit 13 mm Durchmesser verbunden. Sobald eine Materialprobe über der unteren Elektrode angeordnet ist, wird die obere Elektrode dann auf die Oberseite der Probe abgesenkt, um einen kapazitiven Block zu bilden. Die obere Elektrode ist größer als die untere Elektrode, um Positionierungsfehler zu reduzieren. Die Vorrichtungsgeometrie wurde über iterative Simulationen mit einem Finite-Differenzen-Zeitdomänen-Solver (FDTD) optimiert, um die S11-Antwort der Vorrichtung für typische Materialeigenschaften explizit zu modellieren.

Softwarelayout des Epsiolometers

Softwarelayout

Nach dem Verbinden das Messgeräts entweder mit einem PC oder Tablet kann man alle benötigen Infos in der Software eingeben, siehe Bild 3. Auf der rechten Seite in der Software findet man dann einen Überblick der Messergebnisse. Im Beispiel wurden einige Messungen mit Materialien wie Teflon und Delrin durchgeführt. Teflon hat eine relative Dielektrizitätskonstante von fast 2,1 (Bild 4), und Delrin von 3,6. Bei höheren Frequenzen driftet das Delrin-Material jedoch weg, wie im Messergebnis zu sehen ist (Bild 5). Daraus lässt sich schließen, dass dieses Epsilometer ein ideales, kostengünstiges Gerät ist, um die dielektrischen Eigenschaften von Material im Frequenz Bereich bis 6 GHz zu charakterisieren. Das Copper Mountain Epsilometer ist in Deutschland bei Meilhaus Electronic erhältlich.

Messergebnis von Telfon Substrat

Messergebnis von Telfon Substrat

Messergebnis von Delrin Substrat

Messergebnis von Delrin Substrat

Technische Daten des Copper Mountain Technologies Epsilometers

  • Anwendung: Materialprüfung bei der Entwicklung und Herstellung von Antennen-Radomen, Antennen-Substraten, Mikrowellen-Schaltungsmaterialien im Bereich drahtloser Anwendungen wie 4G/LTE, WiFi, Bluetooth, 5G, IoT etc. Messen der dielektrischen Eigenschaften von Materialien.
  • Komponenten: 1-Port VNA mit Software, Messvorrichtung, Epsilometer-Software und Kalibrier-Sample.
  • Frequenz-Bereich: 3 MHz bis 6 GHz.
  • Impedanz: 50 Ω.
  • Geeignet für Materialproben mit Dicken von 0,3 bis 3 mm.
  • Web-Link zum Produkt: ▸Copper Mountain Epsilometer

M. Sc. Ingenieur Shashank Vodapally, HF-Spezialist Meilhaus Electronic GmbH, nach Informationen von Copper Mountain Technologies.