120 лет трудовых побед и свершений
120 лет
трудовых побед и свершений

Исследование диэлектрических свойств современных керамических материалов в миллиметровом диапазоне

  • Новости о продукции

Развитие технологий производства материалов с заданными характеристиками тесно сопряжено с исследованиями их фундаментальных характеристик и свойств. В связи с этим, для расширения круга известных свойств материалов, выпускаемых ОАО «Завод Магнетон», и определения новых перспективных применений проведена работа по исследованию диэлектрических свойств керамических материалов марок МСТ-7.3, МСТ-10, ТК-20, ТК-40, ЛК-2.5, ЛК-3, СТ-3, СТ-4, СТ-10, ВК-100М в диапазоне частот от 50 ГГц до 200 ГГц, а также на частотах 6 и 9.4 ГГц.

Основная цель работы – определение потенциально пригодных материалов для использования в ММ и (возможно) СубММ диапазонах длин волн.

Все вышеуказанные марки материалов освоены в серийном производстве и широко применяются для решения различных конструкторских задач в области СВЧ-техники. Особая актуальность работы вызвана применением ряда материалов в рамках программы по импортозамещению.

Керамические материалы марок МСТ-7,3 и МСТ-10 традиционно используются в качестве согласующей среды и конструктивных элементов СВЧ-техники. Материалы могут быть изготовлены в виде различных форм, в том числе и сложнопрофильных.

Термостабильная микроволновая керамика ряда ТК широко применяется для создания согласующих и конструкционных элементов, подложек интегральных схем, фильтров, диэлектрических резонаторов при повышенных требованиях к термостабильности диэлектрических характеристик.

СВЧ-керамика с супермалым значением диэлектрической проницаемости (от 1.5 до 3) обладает мелкоячеистой структурой, и характеризуются сочетанием малой плотности и закрытой пористости. Радиопрозрачность этих материалов обуславливается малыми значениями тангенса угла диэлектрических потерь, низким уровнем отражения радиоволн СВЧ-диапазона и близостью значений диэлектрической проницаемости материала к ε воздуха. 

Материалы ряда СТ представляют собой СВЧ-диэлектрики на основе полимеров, наполненных двуокисью титана. В крупносерийном производстве материалы этого ряда являются основой для изготовления деталей сложной формы с высокой точностью методами литья под давлением. 

Корундовая керамика ряда ВК представляет собой материал на основе оксида алюминия с различными модифицирующими добавками, традиционно применяющийся для изготовления подложек интегральных СВЧ схем, подложек высоковольтных стабилизаторов напряжения, подложек микрополосковых приборов, а также высоковольтных изоляторов и окон вывода энергии генераторов средней мощности.

Результаты исследований

Ниже приведены полученные в эксперименте зависимости tgδ от частоты различных образцов керамики. Для большинства образцов (кроме пенокерамик ЛК-2.5 и ЛК-3, для которых резкая зависимость потерь от частоты вызвана рассеянием) эта зависимость близка к линейной. Показатель преломления большинства образцов не зависит от частоты в исследуемом диапазоне, либо имеет слабую линейную зависимость.

Рис. 1. Зависимость tgδ от частоты керамических материалов МСТ-7.3 и МСТ-10.

Зависимость близка к линейной, включая результаты измерений на СВЧ. В пределах ошибки измерения не выявлена анизотропия показателя преломления. Для МСТ-7.25: n (80-200 ГГц) = 2.658±0.001, n (9.4 ГГц) = 2.72. Для МСТ-10: n(55-200 ГГц)=3.1855±0.001, n (9.4 ГГц) = 3.225.

 

Рис. 2. Зависимость tgδ от частоты керамических материалов МСТ-7.3 и МСТ-10.

Зависимость близка к линейной, включая результаты измерений на СВЧ. В пределах ошибки измерения не выявлена анизотропия показателя преломления. Для ТК-20: показатель преломления возрастает практически линейно от n (9.4 ГГц) = 4.404 до n (200 ГГц) = 4.416. Для ТК-40: n (60-200 ГГц) = 6.255±0.001, n (6 ГГц) = 6.316.
 


Рис. 3. Зависимость tgδ от частоты пенно-керамик ЛК-2.5 и ЛК-3.

Аппроксимация – полиномы 6-й степени. В пределах ошибки измерения не выявлена анизотропия показателя преломления. Для ЛК-2.5: показатель преломления возрастает практически линейно от n (9.4 ГГц) = 1.58 до n (170 ГГц) = 1.61. Для ЛК-3: величина показателя преломления меняется практически линейно от n (9.4 ГГц) =1.73 до n (192 ГГц) =1.77.

 

Рис. 4. Зависимость tgδ от частоты керамических материалов СТ-3, СТ-4 и СТ-10.

Зависимости близки к линейным, включая результаты измерений на СВЧ. 
СТ-3: выявлена анизотропия показателя преломления, во всём ММ диапазоне n = 1.707±0.001 и n = 1.705±0.001 для двух взаимно перпендикулярных поляризаций. n(9.4 ГГц) = 1.70±0.04.
СТ-4: в пределах погрешности измерений не выявлено анизотропии показателя преломления, во всём ММ диапазоне n = 1.995±0.001, n(9.4 ГГц) = 2.00±0.05.
СТ-10: выявлена заметная анизотропия в величине показателя преломления, во всём ММ диапазоне: n = 3.194±0.001 и n = 3.184±0.001 для двух взаимно перпендикулярных поляризаций, n(9.4 ГГц) =3.162±0.08.

 

 
Рис. 5. Зависимость tgδ от частоты двух образцов керамики ВК-100М с разной шероховатость Ra (мкм).

Зависимость близка к линейной в ММ диапазоне, но не совпадает с измерениями на СВЧ. Несовпадения указывает, что на низких частотах другой механизм поглощения. Это подтверждается различием в величине показателя преломления. На 9.4 ГГц n = 3.194, в ММ диапазоне, в пределах ошибки измерений, n=3.165. Для обоих образцов выявлена небольшая анизотропия показателя преломления: отличие двух взаимно перпендикулярных поляризаций в пределах 0.001.

В настоящее время ОАО "Завод Магнетон" освоил в серийном производстве 35 марок диэлектрических материалов, непрерывно перекрывающих диапазон значений ε от 1,5 до 120. Продолжаются работы по расширению этого ряда до значений ε≈140, а также по повышению теплостойкости диэлектрических материалов на основе полимеров до температур 120-250 ºС. 

В результате проведенных исследований можно сделать вывод, что ряд материалов с малым поглощением вполне пригоден для использования в ММ и частично в СубММ диапазонах для различных конструкций, взаимодействующих с электромагнитной волной.