DD139468A1

DD139468A1 - Verfahren und messwandler zur messung der komplexen dielektrizitaetskonstante von einseitig metallisierten dielektrischen platten mit hilfe dielektrischer resonatoren

Info

Publication number: DD139468A1
Application number: DD20757778A
Authority: DD
Inventors: Manfred Kummer
Original assignee: Manfred Kummer
Priority date: 1978-08-31
Filing date: 1978-08-31
Publication date: 1980-01-02

Abstract

Die zu untersuchende Platte wird so auf einen dielektrischen Resonator aufgelegt, daß dessen Resonanzfrequenz verändert wird und aus der zu messenden Frequenzverschiebung und der Plattendicke auf die Dielektrizitätskonstante geschlossen werden kann. Durch die vorgeschlagene Verwendung des Eo-|-j-Schwingungstyps wird erreicht, daß die bei der Messung verwendete Feldverteilung in der Platte weitgehend derjenigen entspricht, die beim Einsatz solcher Platten als Substrat für Streifenleitungsschaltungen auftritt. Dabei befindet sich die Platte in einem Gebiet maximaler elektrischer Feldstärke. Nichtideale Oberflächen des Resonators und der zu untersuchenden Platten sind Anlaß für einen Luftspalt zwischen beiden und damit für eine Verfälschung des Meßergebnisses. Mit Hilfe einer vorgeschlagenen Dreipunkt-Aufläge der Platte auf dem Resonator, kann dessen Einfluß bei der Berechnung der Dielektrizitätskonstante aus den Meßwerten berücksichtigt werden.

Description

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Verfahren und Meßwertwandler zur Messung der komplexen Dielektrizitätskonstante von einseitig metallisierten dielektrischen Platten mit Hilfe dielektrischer Resonatoren

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft hauptsächlich die Bestimmung der komplexen Dielektrizitätskonstante von einseitig metallisierten Substratplatten, wie sie als Halbzeug zur Herstellung von Streifenleitungsschaltungen verschiedener Art im Hoch- und Höchstfrequenzbereich benötigt werden und bei denen die Kenntnis der komplexen Dielektrizitätskonstante und der Dicke zur Dimensionierung der Schaltungsteile und Leitungsabschnitte erforderlich ist. Dabei interessiert neben dem über eine vollständige Substratplatte gemessenen Mittelwert auch eine eventuell über der Fläche-vorhandene Schwankung der Dielektrizitätskonstante (Inhomogenität), zu deren Bestimmung über möglichst kleine Flächengebiete gemittelt werden soll, sowie im Sinne einer Produktionskontrolle die Messung der Abweichung der Dielektrizitätskonstante verschiedener Substratplatten gegenüber der einer Vergleichsplatte. Außerdem ist die Erfindung anwendbar zur Messung der komplexen Dielektrizitätskonstante von nahezu beliebigen plattenförmigen dielektrischen Meßobjekten, die auf einer gut leitenden Schicht oder Platte aufliegen.

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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Messung der Dielektrizitätskonstante von plattenförmigen Dielektrika, insbesondere von Substratplatten für Streifenleitungsschaltungen erfolgt hauptsächlich nach folgenden Varianten:

1. Herstellung eines mit dem unbekannten Dielektrikum gefüllten Hohlraumresonators durch allseitiges Metallisieren einer geeignet bemessenen Probe und Bestimmen der mittleren Dielektrizitätskonstante aus den zu messenden Werten Resonanzfrequenz und geometrische Abmessungen.

2. Aufbringen einer resonanzfähigen Streifenleiterstruktur auf eine einseitig metallisierte Substratplatte, wobei aus Abmessungen und Resonanzfrequenz(en) auf die wirksame Dielektrizitätskonstante zu schließen ist.

3. Anlegen einer plattenförmigen Probe (die nicht einseitig metallisiert sein muß) an die Koppelöffnung eines Resonators oder an das offene Ende einer Leitung, wobei aus der Messung der Resonanzfrequenzänderung des Resonators bzw. des Eingangsscheinwiderstandes oder des Reflexionsfaktors der Leitung auf die gesuchte Dielektrizitätskonstante zu schließen ist.

4. Einbringen einer plattenförmigen, nicht metallisierten dielektrischen Probe in den Zwischenraum eines geteilten dielektrischen Resonators, wobei aus der zu messenden Resonanzfrequenzänderung der Hq₁.Schwingungsmode auf die gesuchte Dielektrizitätskonstante geschlossen wird,

Nachteile dieser Varianten sind

- die notwendige Herrichtung spezieller Meßproben (1. und 2.) oder

- die Tatsache, daß bei der Messung Feldverteilungen verwendet

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werden, die nicht ausreichend gut der im praktischen Einsatz des Substrates auftretenden Feldverteilung entsprechen (3. lind 4.), so daß eventuell auftretende Anisotropien zu Fehlern führen oder

- die relativ geringe Kopplung und damit .Anzeigeempfindlichkeit bei der Ankopplung an solche z. B. Hohlraumresonatoren, die eine erwünschte Feldverteilung ermöglichen.

Bei der vorgeschlagenen Lösung ist keine besondere Behandlung der Meßproben erforderlich, und die bei der Messung verwendete Feldverteilung entspricht weitgehend der bei der praktischen Anwendung, Eine angemessene Empfindlichkeit der Anzeige ist gewährleistet.

Ziel der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßwertwandler und ein dazu passendes Verfahren zu schaffen, mit denen es möglich ist, die komplexe Dielektrizitätskonstante und ihre Ortsabhängigkeit bzw. ihre Abweichung gegenüber einem Bezugswert auf einseitig metallisierten dielektrischen Platten zu messen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die einseitig metallisierte, plattenförmige Probe so an einen dielektrischen Resonator angekoppelt wird, daß die metallisierte Seite den einen Abschluß des resonanzfähigen Systems bildet und sich das zu untersuchende Dielektrikum in einem Gebiet maximaler elektrischer Längsfeldstärke E (vergleiche Bild 1) befindet. Als noch relativ einfacher und damit zweckmäßiger Schwingungstyp kann die Eq₁.-Mode verwendet werden. Der damit im zu untersuchenden Dielektrikum erzeugte Feldverlauf entspricht weitgehend dem bei der praktischen Anwendung. Auf prinzipiell bekannte Weise und nach verschiedenen Varianten kann dann bei bekannter Dicke des Substrates aus der Änderung der Resonanzfrequenz der Eq₁₁-Mode des Gesamtsystems gegenüber dem Fall einer aufgelegten Metallplatte auf die gesuchte Dielektrizitätskonstante geschlossen werden.

Der bei praktischen Anwendungen nicht ganz zu vermeidende

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luftspalt zwischen dielektrischem Resonator und Probe führt je nach Qualität der beteiligten Oberflächen zu Schwankungen der Resonanzfrequenz. Dieser Nachteil kann gemildert bis beseitigt werden, indem mit Hilfe von drei kleinen Erhebungen definierter Höhe auf dem dielektrischen Resonator ein bekannter und damit in die Rechnung einbeziehrbarer Luftspalt so eingeführt wird, daß eine eindeutige, kippfreie Auflage des Substrates auf dem Resonator ermöglicht wird·

Die Berechnung des Zusammenhangs zwischen Resonanzfrequenz und Dielektrizitätskonstante geschieht auf prinzipiell bekannte Weise mit den bei solchen Problemen der Feldtheorie üblichen Näherungen. Gleiches gilt sinngemäß für die Dimensionierung des Resonators und die dabei einzugehenden Kompromisse.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt eine Prinzipskizze des Resonators und der Meßprobe. An eine auf einem üblichen Substrat (4) mit Metallisierung (1) befindliche Streifenleitung (5) wird ein dielektrischer Resonator (3) z. B.. als Leitungsdiskontinuität lose angekoppelt. Bei geeigneter Wahl seiner Dielektrizitätskonstante und seiner Abmessungen wird dabei die Eq₁₁-Schwingungsmode angeregt, deren elektrische Feldlinien mit (6) angedeutet sind. Das zu untersuchende Substrat (2) mit der Metallisierung (1) wird in der gezeigten Weise auf den Resonator aufgesetzt. Die angedeuteten Erhebungen auf dem Resonator bestimmen den erwähnten definierten Luftspalt, Die Anschaltung der Anordnung an eine bekannte Meßschaltung zur Feststellung der Resonanzfrequenz erfolgt über die Streifenleitung (5).

Claims

-S- 207577 Erfindungsanspruch

1· Verfahren zur Messung der komplexen Dielektrizitätskonstanten von einseitig metallisierten dielektrischen Platten mit Hilfe dielektrischer Resonatoren, dadurch gekennzeichnet, daß in einem geeigneten dielektrischen Resonator (3) die E₀₁₁-Schwingungsmode angeregt wird, die zu untersuchende einseitig metallisierte Platte in der im Bild 1 skizzierten Weise auf den dielektrischen Resonator aufgelegt wird und aus der gemessenen Resonanzfrequenzänderung gegenüber dem Pail einer aufgelegten Metallplatte auf die gesuchte Dielektrizitätskonstante .geschlossen wird.

2. Meßwertwandler nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Einhaltung eines definierten Luftspaltes zwischen dielektrischem Resonator (3) und zu untersuchender Platte (2) drei kleine· definierte Erhebungen aus Dielektrikum auf dem dielektrischen Resonator angebracht und als Auflagepunkte für die Platte (2) verwendet werden.

Jiieizu /\ Seite Zeichnung