Л.А. Близнюк1, Е.С. Максимович2, Н.В. Любецкий3, Т.П. Петроченко4, В.И. Каско5

1,3–5 ГО «НПЦ НАН Беларуси по материаловедению» (г. Минск, Республика Беларусь)
2,3 Белорусский государственный университет (г. Минск, Республика Беларусь)
2 ГНУ «Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси» (г. Минск, Республика Беларусь)
1 tanya-petr@physics.by

Постановка проблемы. Рассматриваются основные методы измерений диэлектрических свойств керамических материалов (в частности, сегнетоэлектрической керамики на основе бинарной системы титанат бария ‒ титанат стронция) в СВЧ-диапазоне. Актуальность обращения к волноводным технологиям связана с необходимостью практически достоверного контроля параметров керамических диэлектриков.

Цель. Предложить эффективный метод контроля диэлектрических параметров объемных материалов с высокой диэлектрической проницаемостью.

Результаты. Выявлено, что при изменении диэлектрической проницаемости даже на несколько единиц от исходного значения расчетные и экспериментальные зависимости начинают резко отличаться. Установлено, что с увеличением содержания титаната бария тангенс угла диэлектрических потерь растет, а при достижении 50% электромагнитная волна полностью поглощается образцом.

Практическая значимость. Для контроля диэлектрических параметров объемных материалов с высокой диэлектрической проницаемостью предложен метод свободного пространства с использованием диэлектрических волноводов, что значительно уменьшает габаритные размеры экспериментальной установки по сравнению с известными измерительными системами при небольшой погрешности измерений. Контролируемые образцы не требуют специального изготовления. Методика измерений проста, может быть использована для поэтапного контроля при разработке и производстве сложноструктурированных материалов.

Близнюк Л.А., Максимович Е.С., Любецкий Н.В., Петроченко Т.П., Каско В.И. Измерение свойств объемных сегнетоэлектриков в миллиметровом диапазоне с использованием диэлектрического волновода // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2025. Т. 17. № 4. С. 28–37. DOI: https://doi.org/ 10.18127/ j22250980-202504-03

1. Narang S.B., Bahel S. Low loss dielectric ceramics for microwave applications: a review. Journal of Ceramic Processing Research. 2010. V. 11. № 3. P. 316–321.
2. Nenasheva E.A., Kanareykin A.D., Kartenko N.F., Dedyk A.I., Karmanenko S.F. Ceramics Materials Based on (Ba,Sr)TiO3 Solid Solutions for Tunable Microwave Devices. Journal of Electroceramics. 2004. № 13. P. 235–238.
3. Nenasheva E.A., Kartenko N.F., Gaidamaka I.M., Trubitsyna O.N., Redozubov S.S., Dedyk A.I., Kanareykin A.D. Low loss microwave ferroelectric ceramics for high power tunable devices. Journal of the European Ceramic Society. 2010. № 30. Р. 395–400.
4. Дедык А.И., Семенов А.А., Павлова Ю.В., Медведева А.А., Пахомов О.В., Мыльников И.Л., Богачев Ю.В. Электропроводность высокоомной керамики на основе BSTO c примесями магния и марганца // Сб. докладов XIII Всерос. науч.-техн. конф. «Электроника и микроэлектроника СВЧ». 27–31 мая 2024 г. Санкт-Петербург. С. 120–123.
5. Донченко А.В., Заргано Г.Ф. П-волновод, как измерительная ячейка устройств определения диэлектрической проницаемости материалов // Физические основы приборостроения. 2016. Т. 5. № 5. С. 40–46.
6. Пархоменко М.П., Каленов Д.С., Еремин И.С., Федосеев Н.А., Колесникова В.М., Баринов Ю.Л. Волноводный метод измерений электромагнитных параметров материалов в СВЧ диапазоне и оценка погрешности измерений // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2018. № 9. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/sep18/6/text.pdf. DOI 10.30898/1684-1719.2018.9.
7. Nicolson A.M., Ross G. Measurement of the intrinsic properties of materials by time domain techniques, IEEE Trans. Instrum. Meas. November 1970. V. IM-19. P. 377–382.
8. Weir W.B. Automatic measurement of complex dielectric constant and permeability at microwave frequencies. Proc. IEEE. January 1974. V. 62. P. 33–36.
9. Sahin S., Nahar N.K., Sertel K. Simplified Nicolson-Ross-Weir Method for Material Characterization Using Single-Port Measurements. IEEE Trans. On terahertz science and technology. 2020. V.10. № 4. P. 404–410. https://doi.org/10.1109/TTHZ.2020.298044.
10. Rothwell E.J., Frasch J.L., Ellison S.M., Chahal P., Ouedraogo R.O. Analysis of the Nicolson-Ross-Weir Method for Characterizing the Electromagnetic Properties of Engineered Materials. Progress In Electromagnetics Research. 2016. № 157. P. 31–47. DOI: http://dx.doi.org/10.2528/PIER16071706.
11. Marakhovskiy M.A., Donchenko A.V., Krutiev S.V. Broadband measurement of the complex permittivity of ferroelectric ceramics in the microwave range. Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves. June 24–28. 2019. Divnomorskoe. Krasnodar Region. Russia. Р. 472–475. DOI: 10.1109/RSEMW.2019.8792742.
12. Rovensky T., Pietrikova A., Ruman K., Kovac O. Microstrip Methods for Measurement of Dielectric Properties in High Frequency Area. 38th Int. Spring Seminar on Electronics Technology. 2015 IEEE. Р. 188–191. DOI: 10.1109/ISSE.2015.7247987.
13. Saeed K., Shafique M.F., Byrne M.B., Hunter I.C. Planar Microwave Sensors for Complex Permittivity Characterization of Materials and Their Applications. Applied Measurement Systems. Edited by Md. Zahurul Haq, Published: 24 February 2012. Chapter 15. Р. 319–350. DOI: 10.5772/36302.
14. Пархоменко М.П., Каленов Д.С., Еремин И.С., Н. А. Федосеев, В. М. Колесникова, Ковтыков Д.А. Улучшенный резонаторный метод для измерения комплексной диэлектрической проницаемости материалов // Радиотехника и электроника. 2017. Т. 62. № 7. С. 651–656.
15. Крутских В.В., Сизякова А.Ю., Минкара М.С., Ибрахим А.Р., Мирзоян А.Э., Ушков А.Н. Широкополосный металлодиэлектрический волноводный тракт с малыми потерями КВЧ-диапазона // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. 2021. Т. 8. Вып. 3. С. 89–98.
16. João G.D., Oliveira J.G. Duarte Junior, Erica N., Pinto M.G., Silva V.P., Neto D’Assunção A.G. A New Planar Microwave Sensor for Building Materials Complex Permittivity Characterization. MDPI, Sensors, Published: 6 November 2020, 15 p., DOI: 10.3390/s20216328.
17. Richter Ju., Yazici Ya., Ziegler Ch., Schmidt L.-P. A Broadband Transition between Dielectric and Planar Waveguides at Millimeterwave Frequencies. 33rd European Microwave Conference – Munich 2003. Р. 947–950.
18. Elhawil A., Koers G., Zhang L., Stiens J., Vounckx R. Reliable method for material characterisation using quasi-optical free-space measurement in W-band. IET Sci. Meas. Technol. 2009. V. 3. № 1. Р. 39–50. DOI: 10.1049/iet-smt:2007008.
19. Schultz J.W. Focused Beam Methods: Measuring Microwave Materials in Free Space. CreateSpace Publishing. 2012. 142 р.
20. Близнюк Л.А., Любецкий Н.В., Летко А.К., Петроченко Т.П., Каско В.И. Свойства сегнетоэлектрических композитов в микроволновом диапазоне // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2024. Т. 16. № 2. С. 40–47. DOI: https://doi.org/ 10.18127/ j22250980-202402-04.
21. http://nano.bsu.by/nem-laboratory/airline.
22. Михнев В.А., Любецкий Н.В. Поляризационный метод контроля толщины диэлектрических покрытий металлов с использованием диэлектрического волноводного датчика // Дефектоскопия. 1996. № 7. С. 91–97.
23. А.с. № 1753379. Способ измерения толщины диэлектрических покрытий металлов и устройство для его осуществления / Н.В. Любецкий, В.А. Михнев. 1992.