МИКРОПОЛОСКОВАЯ РЕЗОНАНСНАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ЯЧЕЙКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛАНАРНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ

Микрополосковая резонансная измерительная ячейка для измерения параметров планарных конденсаторов.
Заявляемая полезная модель относится к области СВЧ техники и предназначена для измерения номинала емкости и добротности конденсаторов планарной конструкции.
Известно резонансное СВЧ устройство с помощью которого можно измерять указанные выше параметры конденсаторов с планарной конструкцией электродов /ММ. Гайдуков, А.Б. Козырев, А.С. Рубан и др. // Радиотехника и электроника. -1975. -Т. 20, вып. 12. -С. 2588-25912. Устройство представляет собой измерительный резонатор на основе симметричной полосковой линии и состоит из блокировочных емкостей образующих резонансный объем и отрезка симметричной полосковой линии имеющей щель для постановки измеряемого конденсатора с шириной щели равной расстоянию между контактными площадками измеряемого конденсатора. Измерения производятся следующим образом: в щель устанавливается измеряемый конденсатор и производится измерение резонансной частоты и добротности резонатора с измеряемым конденсатором и величина затухания на резонансной частоте. По этим данным можно определить емкость конденсатора и его добротность.
Основными недостатками известного устройства являются сложность реализации устройства при понижении частоты, связанная с увеличением размеров резонатора.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемой микрополосковой резонансной ячейке для измерения СВЧ параметров конденсаторов планарной конструкции является измерительный резонатор на основе отрезка микрополосковой линии /Kozyrev А.В. Procedure of microwave investigations of ferroelectric films and tunable microwave devices based on ferroelectric films / A.B. Kozyrev, V.N. Keis, G. Koepf et al // Microelectronic Engineering. -2005. -V. 29, Is. 1-4. -Р. 257-260/, который содержит диэлектрическое основание, токоведущий полосок с тремя разрывами в виде щелей для организации резонансного объема и постановки измеряемого конденсатора и металлического основания - земляного электрода.
Измерения производятся абсолютно так же как и для резонатора на основе симметричной полосковой линии: исследуемый конденсатор помещается в центральный разрыв токоведущего полоска и при этом на частоте резонанса устройства наблюдается максимум коэффициента прохождения. Измеряется резонансная частота и добротность резонатора, а также величина затухания на резонансной частоте. По этим данным можно определить емкость конденсатора и его добротность.
Недостатком данной структуры являются относительно низкое значение добротности микрополоскового резонатора - максимально достижимым является Q=200 /Малорацкий Л.Г. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ / М.: Сов.Радио, 1976. -216 с/ и невозможность организации высокого (более чем 0,33) коэффициента включения (ξ) измеряемого конденсатора в резонатор, что снижает точность измерений конденсаторов с высокой добротностью как прималых, так и при больших номиналах емкостей (ξ=0 при С - и при С=0).
Задачей, решаемой полезной моделью, является разработка микрополосковой резонансной измерительной ячейки которая позволяет измерять такие параметры конденсатора с планарной конструкцией электродов как номинал емкости и добротность конденсатора и обладает простотой конструкции и технологичностью ее реализации и обеспечивает при этом ξ=1 во всем диапазоне измеряемых емкостей..
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемая микрополосковая резонансная измерительная ячейка, также как и прототип, содержит диэлектрическую подложку, токоведущий полосок и металлическое основание. Но в отлчие от прототипа металлизация основания дополнительно закрывает одну из боковых поверхностей диэлектрической подложки и частично лицевую часть подложки, образуя с токоведущим полоском щель в которой сформирована в виде металлического выступа индуктивность, параметры которой удовлетворяют условию получения последовательного резонанса с измеряемой емкостью на заданной частоте.
Достигаемым техническим результатом является увеличение коэффициента включения до величины ξ=1 во всем диапазоне измеряемых емкостей при сохранении функции измерения таких параметров конденсатора с планарной конструкцией электродов как номинал емкости и добротность.
Технический результат достигается за счет постановки конденсатора в ячейку не последовательно, а параллельно между токоведущим полоском и основанием при исключении щелей в токоведущем полоске. Вследствие этого между токоведущим полоском и основанием возникает последовательный резонанс. При этом измерительная частота определяется как номиналом емкости конденсатора, так и параметрами металлического выступа образующего последовательную индуктивность. Геометрические размеры и форма выступа обеспечивают требуемый номинал индуктивности. Металлический выступ может являться как частью токоведущего полоска, так и частью основания и при этом щель для постановки измеряемого конденсатора должна соответствовать габаритам конденсатора (расстоянию между контактными площадками)
Полезная модель поясняется чертежами с металлическими выступами прямоугольной формы (для простоты изображения), где на фигуре 1 представлен разрез ячейки (вид сбоку), а на фигуре 2 - вид сверху (топология) структур с металлическим выступом являющимся частью токоведущего полоска. На фигурах 3 и 4 представлены соответсвенно разрез ячейки (вид сбоку) и вид сверху(топология) структур с металлическим выступом являющимся частью основания.
Конкретная геометрия металлического выступа определяет только номинал последовательной индуктивности и не имеет существенного значения для понимания сущности заявляемой модели.
1
Предлагаемая микрополосковая резонансная измерительная ячейка содержит диэлектрическую подложку 1, токоведущий полосок 2, металлическое основание (земляной электрод) дополнительно закрывающий одну из боковых поверхностей диэлектрической подложки и частично лицевую часть подложки 3 и металлический выступ (выступы) прямоугольной формы 4. 1 - ширина щели между токоведущим полоском и металлизированнным основанием, l - щель с шириной равной расстоянию между электродами измеряемого конденсатора…
Эквивалентную схему любого конденсатора можно представить в виде последовательного соединения собственно емкости, индуктивности электродов и сопротивления, характеризующего как потери в диэлектрике так и в электродах. При этом все размеры конденсатора не могут выбираться произвольно /ГОСТ Ρ 50044 - 2009 «Изделия электронной техники для поверхностного монтажа радиоэлектронной аппаратуры»/. Эквивалентная схема диктует и постановку исследуемого конденсатора в измерительную ячейку - замыкая токоведущий полосок и металлическое основание (земляной электрод) через металлический выступ прямоугольной формы или в форме меандра выполняющего роль последовательной ндуктивности.
0
0
0
Методика измерений заключается в следующем: измерительная ячейка с включенным измеряемым конденсатором через соответствующие разъемы включается в цепь генератора качающейся частоты по схеме «на проход». При этом на экране индикатора на некоторой частоте ω будет наблюдаться резонансная кривая, соответствующая минимальному прохождению ВЧ - СВЧ сигнала, что следует из последовательной эквивалентной схемы конденсатора. По показаниям прибора определяются резонансная частота ω, величина добротности и затухания на резонансной частоте. Так как ширина щели между токоведущим полоском и индуктивным отрезком соединенным с металлическим основанием равна расстоянию между электродами -контактными площадками - измеряемого конденсатора, то измеренная частота ω и будет частотой, определяющей параметры конденсаторов с планарной конструкцией электродов и последовательно включенной индуктивностью отрезка.
Частота резонанса ячейки определяется выражением
0
1
1
где ω - частота, С - емкость конденсатора, L - индуктивность обкладок конденсатора L -величина индуктивности отрезка. Для конденсатора с планарной конструкцией электродов величина индуктивности L зависит не только от размеров но и от топологии обкладок конденсатора a L - не только длиной и шириной индуктивного отрезка, но и его геометрией. Методы расчета индуктивных отрезков описаны в /Калантаров П. Л., Цейтдин Л. А. Расчет индуктивностей. «Энергия», Л., 1970./ Калибровка измерительной ячейки путем измерения конденсаторов с различным номиналом емкости и полностью идентичными электродами позволяет получить значение индуктивности электродов и, следовательно, значение емкости измеряемого конденсатора.
Известно /Филатов К.В. Введение в инженерную теорию параметрического усиления. «Сов. Радио», М., 1971./, что величина коэффициента включения конденсатора в измерительный резонатор может быть записана в виде:
Отсюда следует, что для любого номинала емкости ξ=1.
Добротность резонатора с конденсатором определяется по ширине резонансной кривой, а уровень измерения ее определяется величиной затухания на резонансной частоте путем решения уравнений матрицы рассеяния. Измеренная добротность (Q характеризует общие потери в конденсаторе и индуктивном отрезке:
0
где Q - добротность измеряемого конденсатора, R - сопротивление индуктивного отрезка. Величина R может быть найдена как расчетным путем, так и путем проведения измерений эталонных конденсаторов с известным сопротивлением электродов и пренебрежимо малыми потерями в диэлектрике.
Как видно из описания конструкции и способа измерения микрополосковая резонансная измерительная ячейка позволяет измерять параметры конденсаторов с планарной конструкцией электродов, (величину емкости и добротность конденсаторов). При этом частота измерений определяется параметрами измеряемой емкости и величиной последовательной индуктивности при сохранении простоты конструкции и технологичностью ее реализации и постоянным коэффициентом включения ξ=1 для любого номинала емкости.