Микрополосковая резонансная измерительная ячейка для измерения планарных конденсаторов
Полезная модель относится к области СВЧ техники и предназначена для измерения номинала емкости и добротности конденсаторов планарной конструкции. Микрополосковая резонансная измерительная ячейка для измерения параметров планарных конденсаторов, выполненная на основе отрезка микрополосковой линии передачи и содержащая диэлектрическую подложку, токоведущий полосок и металлическое основание, отличающаяся тем, что 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 расширение функциональных возможностей отрезка микрополосковой линии, позволяющее дополнительно определять для конденсатора с планарной конструкцией электродов номинал емкости и добротность обладая простотой конструкции и технологичностью ее реализации за счет постановки конденсатора в ячейку не последовательно, а параллельно между токоведущим полоском и основанием.
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 (
) измеряемого конденсатора в резонатор, что снижает точность измерений конденсаторов с высокой добротностью как прималых, так и при больших номиналах емкостей (=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 =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 =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.
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, l1 - 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 
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.
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 
0 будет наблюдаться резонансная кривая, соответствующая минимальному прохождению ВЧ - СВЧ сигнала, что следует из последовательной эквивалентной схемы конденсатора. По показаниям прибора определяются резонансная частота 0, 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 0 и будет частотой, определяющей параметры конденсаторов с планарной конструкцией электродов и последовательно включенной индуктивностью отрезка.
Частота резонанса ячейки определяется выражением
где 0 - частота, С - емкость конденсатора, L - индуктивность обкладок конденсатора L1 -величина индуктивности отрезка. Для конденсатора с планарной конструкцией электродов величина индуктивности L зависит не только от размеров но и от топологии обкладок конденсатора a L1 - 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 =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:
где Q0 - 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 =1 для любого номинала емкости.
Микрополосковая резонансная измерительная ячейка для измерения параметров планарных конденсаторов, выполненная на основе отрезка микрополосковой линии передачи и содержащая диэлектрическую подложку, токоведущий полосок и металлическое основание, отличающаяся тем, что 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.
