Расчет сопротивления диэлектриков
Электроизоляционные материалы (диэлектрики) обладают большим удельным электрическим сопротивлением. Эти материалы применяются для изоляции токопроводящих частей, находящихся под разными электрическими потенциалами.
Диэлектрики вместе с токопроводящими электродами создают конденсаторы. Вместе с тем под действием постоянного электрического поля электроизоляционные материалы проявляют свойства электропроводности, т. е. под действием постоянного напряжения в диэлектрике возникает сквозной ток утечки. Сквозной ток утечки состоит из объемного Iv и поверхностного
Is Токов.
Iут. = Iv + Is,
Где: Iv – Объемный ток утечки, который протекает по всему объему диэлектрика между двумя противоположными гранями.
Is – Поверхностный ток, который протекает сквозь противоположные стороны боковой поверхности.
Электропроводность диэлектрика характеризуется параметрами:
— удельной объемной электропроводностью Или удельным объемным сопротивлением ;
— удельной поверхностной электропроводностью Или удельным поверхностным сопротивлением.
В однородном электрическом поле удельное объемное сопротивление для плоского образца диэлектрика вычисляется по формуле:
,
Где: Rv – объемное сопротивление, Ом;
S – площадь электрода, М2;
h – толщина образца, М.
Удельное поверхностное сопротивление вычисляется по формуле:
,
Где: Rs – полное поверхностное сопротивление образца, Ом;
d1, d2 – соответственно диаметры измерительного и защитного электродов, М.{2}}}},
а также в уравнение связи вектора электрической индукции с напряжённостью электрического поля:
- D=εaE{\displaystyle \mathbf {D} =\varepsilon _{a}\mathbf {E} }
в рассматриваемой среде[1]. Вводятся абсолютная (а) и относительная (r, от англ. relative — относительный) проницаемости:
- εa=ε0εr{\displaystyle \varepsilon _{a}=\varepsilon _{0}\varepsilon _{r}},
где ε0{\displaystyle \varepsilon _{0}} — электрическая постоянная[2]. Cам термин «диэлектрическая проницаемость» применяется и для εr{\displaystyle \varepsilon _{r}}, и для εa{\displaystyle \varepsilon _{a}}; ради краткости, одну из этих величин (в российской литературе чаще εr{\displaystyle \varepsilon _{r}}, в англоязычной εa{\displaystyle \varepsilon _{a}}) переобозначают как ε{\displaystyle \varepsilon } (из контекста всегда ясно, о чём идёт речь). Величина εr{\displaystyle \varepsilon _{r}} безразмерна, а εa{\displaystyle \varepsilon _{a}} по размерности совпадает с ε0{\displaystyle \varepsilon _{0}} (в Международной системе единиц (СИ): фарад на метр, Ф/м).
Проницаемость εr{\displaystyle \varepsilon _{r}} показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в конкретной среде меньше, чем в вакууме, для которого εr=1{\displaystyle \varepsilon _{r}=1}. Отличие проницаемости от единицы обусловлено эффектом поляризации диэлектрика под действием внешнего электрического поля, в результате которой создаётся внутреннее противоположно направленное поле. В области низких частот ω{\displaystyle \omega } значение проницаемости реальных сред εr>1{\displaystyle \varepsilon _{r}>1}, обычно оно лежит в диапазоне 1—100, но для сегнетоэлектриков составляет десятки и сотни тысяч. Как функция частоты электрического поля величина εr(ω){\displaystyle \varepsilon _{r}(\omega )} слегка возрастает на участках вне линий поглощения данного материала, однако вблизи линий резко спадает, из-за чего высокочастотная диэлектрическая проницаемость ниже статической. Имеет место связь проницаемости и показателя преломления вещества: для немагнитной непоглощающей среды n2(ω)=εr(ω){\displaystyle n^{2}(\omega )=\varepsilon _{r}(\omega )}.
Относительная диэлектрическая проницаемость εr{\displaystyle \varepsilon _{r}} является одним из «электромагнитных параметров» среды, влияющих на распределение компонент напряжённости электромагнитного поля в пространстве и описывающих среду в материальных уравнениях электродинамики (уравнениях Максвелла).
Схематическое изображение ориентации диполей в диэлектрической среде под воздействием электрического поля
Абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума
Электрическая постоянная, она же «абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума», в системе единиц СИ равна
Основные характеристики диэлектрических материалов. Диэлектрик
- Новейшая история
- Здоровье
- Всемирная история
- Биология развития
- Атомная физика
- Микробиология
Поиск
- Экология
- География
- Анатомия человека
- Зоология
- Этика
Tureng — сопротивление диэлектрика — Turc Anglais Dictionnaire
Turc — английский
- Turc — Anglais
- Allemand — Anglais
- Français — Anglais
- Espagnol — Anglais
- Английские синонимы
- Синонимы
- Предложение
- Outils
- Ресурсы
- Контакт
- Книги
- Ouvrir сессия / Souscrivez-vous
- Éteindre les lumières
английский
- Английский
- Türkçe
- Français
- Español
- Deutsch
- Синонимы
- Outils
- Книги
- Предложение
- Ресурсы
- Контакт
- Ouvrir session / Souscrivez-vous
EN-TR
- Turc — Anglais
- Allemand — Anglais
- Espagnol — Anglais
- Français — Anglais
- Английские синонимы
- Turc — Anglais
- Espagnol — Anglais
Historique
|
Микроволны101 | Потеря линии передачи
Щелкните здесь, чтобы перейти на страницу нашей главной линии передачи
Щелкните здесь, чтобы перейти на страницу с минимальным затуханием
Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу страницу константы распространения
Щелкните здесь, чтобы перейти к нашему «Что такое Непер?» стр.
Здесь мы рассмотрим некоторые математические операции для расчета радиочастотных потерь (затухания) в линиях передачи по частоте.Мы направим вас на некоторые другие наши страницы, на которых показаны расчеты затухания для линий передачи различной геометрии.
Вот индекс этой страницы, который можно щелкнуть
Потеря в линии передачи Практическое правило 1
Затухание или отклонение?
Модель трансмиссии
Четыре механизма потерь:
Эмпирическое правило линии передачи 2
Затухание из-за металла ( C )
Затухание из-за тангенса угла диэлектрических потерь ( D )
Затухание из-за диэлектрической проводимости ( G )
Затухание из-за излучения ( R )
Давайте предложим практическое правило, прежде чем мы даже начнем обсуждать потери в линиях электропередачи:
Практическое правило затухания в линии передачи # 80
Для данной частоты волновод даст самые низкие потери на единицу длины.Потери в коаксиальном кабеле будут примерно в 10 раз выше (в дБ). Потери в линии передачи на MMIC (микрополосковый или копланарный волновод) примерно в 10 раз хуже, чем в коаксиальном, или в 100 раз больше, чем в волноводе (но длина линий передачи действительно мала!) Полосковая линия, в зависимости от ее геометрии, обычно будет немного выше потерь чем коаксиальный.
Затухание или отклонение?
Нам необходимо провести различие между «реальными» потерями (затуханием) и потерями из-за рассогласования (отклонением). Фильтр может использоваться для подавления сигнала, но отклонение обычно означает отражение .Отклоненный сигнал возвращается в генератор, где он рассеивается. При наличии соответствующей согласующей сети «потери» фильтра теоретически можно отрегулировать до нуля дБ.
Затухание можно уменьшить, увеличив характеристическое сопротивление системы (обычно это не вариант), но нельзя полностью отрегулировать, если вы не можете изменить характеристическое сопротивление на бесконечность. Это никогда не вариант!
На этой странице мы обсуждаем «реальные» потери, а не потери из-за несоответствия.
Модель трансмиссии
Модель линии передачи используется во многих расчетах потерь. Когда вы решаете уравнения Максвелла для распространения электромагнитных волн, решения для электрического поля выглядят следующим образом: E (z, t) = E * cos (γz — ωt).
Установка в качестве аргумента функции cos константы — это все равно что выбрать точку на волне и поехать по ней.
Решая для z, получаем:
z = (ω / γ) t.
Пусть γ = α + jβ или α + j (2π / λ)
Теперь мы подошли к отдельным свойствам, которые определяют характеристики схемы и которые обычно используются в наших решениях для линий передачи, где:
γ = комплекс постоянная распространения
α = постоянная затухания (неперы на единицу длины)
β = фазовая постоянная (радианы на единицу длины)
λ = длина волны
ω = угловая частота (радианы / секунда)
Мы рекомендуем вам изучить нашу страницу о константе распространения и, в частности, ознакомиться с «константой затухания» , прежде чем вы продолжите читать эту страницу о потерях в линии передачи.Постоянная распространения — это то, что определяет фазу и амплитуду сигнала в линии передачи. Обозначается греческой буквой гамма:
Модель линии передачи предназначена для бесконечно малого участка линии, линия может состоять из четырех элементов с сосредоточенными параметрами:
Обратите внимание, что обозначение «штрих» здесь означает, что параметры нормализованы по длине. C ‘в Фарадах / метр, L’ в Генри / метр, R ‘в Ом / метр, а G’ в Сименсах / метр.С помощью этих четырех сосредоточенных элементов можно выразить множество параметров линии передачи, включая характеристический импеданс, постоянную распространения и фазовую скорость.
Четыре вида потерь
Для квантования ВЧ-потерь в линиях передачи нам необходимо вычислить константу затухания, которая выражается в «естественных» единицах Неперс / метр. Константу затухания можно разбить, по крайней мере, на четыре компонента, одна из которых представляет потери металла, одна представляет собой диэлектрические потери из-за тангенса угла потерь, одна из-за проводимости диэлектрика и одна из-за паразитного излучения:
Ниже мы рассмотрим каждый из этих механизмов потерь с точки зрения модели линии передачи.
Каждый из четырех компонентов потерь зависит от геометрии, что означает, что расчет для коаксиального кабеля сильно отличается от, например, для волновода. Мы просто коснемся каждого предмета ниже и перенесем большую часть математики на отдельные страницы на разных линиях передачи. Но сначала пришло время для еще одной микроволны101 Практическое правило:
Практическое правило затухания в линии передачи # 79
Различные механизмы потерь имеют разное поведение по частоте. Потери металла пропорциональны частоте квадратного корня.Диэлектрические потери пропорциональны частоте. Потери диэлектрической проводимости постоянны по частоте.
Затухание из-за проводимости металла ( C )
В общих потерях большинства линий передачи преобладают потери в металле на микроволновых частотах. Потеря металла в основном изменяется как SQRT (f). Потери металла моделируются компонентом R ‘в модели линии передачи, который представляет собой последовательное сопротивление на единицу длины. Термин R ‘является функцией геометрии линии передачи и высокочастотного сопротивления металлической системы, которая используется.
Радиочастотное сопротивление листа может быть на больше , чем сопротивление листа постоянного тока (спасибо, Лорен!), Из-за скин-эффекта. Скин-эффект говорит о том, что на все более высокой частоте путь сигнала группируется вверх по направлению к внешней стороне проводника, на поверхности, где распространяется электромагнитная волна.
Потери металла в основном изменяются как SQRT (f), поскольку ВЧ сопротивление листа изменяется как SQRT (f). Сопротивление листа RF для системы из одного металла рассчитывается как:
Сигма — проводимость металла в Сименсах на метр; сигма — это 1 / rho, где rho — удельное сопротивление в единицах Ом-метров.Единицы сопротивления ВЧ листа — Ом / квадрат. Вычисление радиочастотного сопротивления многослойной металлической системы объясняется на нашей странице глубины скин-слоя. Вот ВЧ листовое сопротивление в зависимости от частоты для трех милов меди (много, много толщины кожи на микроволновых частотах), что вы можете считать лучшим, что вы когда-либо делали, если только кто-то не начнет делать печатные монтажные платы со следами чистого серебра имеет меньшее объемное сопротивление, чем медь.
Следующим шагом в расчете потерь металла в линии передачи является определение ВЧ-сопротивления на единицу длины R ‘(преобразование Ом / квадрат в Ом / метр) на основе физических размеров конструкции и ВЧ сопротивления листа.Этот расчет отличается для коаксиального кабеля, волновода, микрополосковой или любой другой структуры линии передачи. Дьявол кроется в деталях! Ссылки ниже помогут вам в этой части расчета. Обратите внимание, что, за исключением волновода, сопротивление на длину имеет две составляющие в линиях передачи; необходимо суммировать вклад «горячего» проводника с проводником заземляющего слоя (или заземляющего проводника , проводника в случае копланарного волновода).
Последний шаг в вычислении радиочастотных потерь из-за металла: из сопротивления на единицу длины вы найдете потери на единицу длины:
Обратите внимание, что «естественные» единицы потерь в линии передачи — неперы / длина.Чтобы получить потери в дБ на длину, умножьте Неперс на 8,686.
Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу страницу о микрополосковых потерях из-за металла
Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу страницу о потерях в коаксиальном кабеле из-за металла
Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу страницу о потерях в волноводе из-за металла
Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу страницу о минимизации затухания из-за металла
Щелкните здесь, чтобы узнать о влиянии шероховатости поверхности на потерю металла
Затухание из-за тангенса угла диэлектрических потерь ( D )
Потери из-за тангенса угла диэлектрических потерь (tanδ) могут быть очень важны на микроволновых частотах.Тангенс угла потерь также известен как коэффициент рассеяния, или аббревиатура DF. Этот член пропорционален частоте, поэтому чем выше вы поднимаетесь, тем больше вероятность, что он будет доминировать в общих потерях (потеря металла пропорциональна SQRT частоты).
Расчет потерь из-за тангенса угла потерь является простым и использует элементы модели линии передачи с одним условием. Мы упоминали, что конденсатор C ‘в линии передачи может иметь потери? Тангенс угла потерь — это мера отношения его проводимости к его восприимчивости (например, «Q»).После того, как вы рассчитали емкостную проводимость / длину для конкретной геометрии, все, что вам нужно сделать, это умножить на тангенс угла потерь, чтобы получить частотно-зависимый член проводимости, который вызывает потери тангенса угла потерь:
Для любой линии передачи TEM с и любым импедансом уравнение для потерь тангенса угла диэлектрических потерь можно упростить до следующего:
(Неперс / длина)
Здесь единицы длины будут соответствовать единицам, которые вы используете для длины волны.Преобразование Непера в дБ (умножение на 8,686) дает более знакомый результат:
(дБ / длина)
Давайте сделаем шаг дальше, чем большинство учебников. Кто тратит много времени на размышления о длине волны в свободном космосе? Вот уравнение для частоты:
(дБ / длина)
И далее, предположим, что частота указана в ГГц, а скорость света — 29,979 см / наносекунда. Тогда:
(дБ / см)
Обратите внимание, что потери по касательной потерь не зависят от геометрии.Хотя вы можете уменьшить потери металла, используя более толстый коаксиальный кабель, вы все равно будете испытывать те же диэлектрические потери, если будете использовать тот же диэлектрический материал.
Рискну повториться, потеря тангенса угла потерь пропорциональна частоте, в отличие от потери металла, которая пропорциональна SQRT (частоте). Это означает, что по мере увеличения частоты тангенс угла потерь в какой-то момент начинает преобладать над потерями в линии передачи. Если вы работаете в W-диапазоне, вы больше не можете следовать совету ваших предшественников в X-диапазоне, которые могли быть «просто игнорируйте его».Кроме того, как никогда важно получить точные данные о касательной потерь. Если вы прочесываете Интернет, вы увидите сильно отличающиеся значения тангенса угла потерь для зрелой технологии подложек, такой как GaAs. Это общеотраслевая проблема, и, возможно, стоит подумать о ней (измерения материалов). Обратите внимание, что тангенс угла потерь часто является функцией частоты, температуры, качества материала … поэтому никогда не вешайте шляпу на одно число.
Теперь давайте посмотрим на график потерь по касательной потерь. Здесь мы сместили tanδ от 0 до 0.01 с шагом 0,001, для E r = 1. Убедитесь, что потери составляют почти точно 1 дБ / см на частоте 110 ГГц для 1% тангенса угла потерь (для невозможного условия, когда E r = 1). Если вы помните эту одну точку данных, вы могли бы масштабировать потерю тангенса угла потерь в уме, если бы у вас не было такого похмелья. Но не забудьте умножить на SQRT (E r )!
Говоря о E r , что произойдет, если вы используете квази-ТЕМ линию передачи, такую как CPW или микрополосковый? Оказывается, вы можете заменить Keff на E r в приведенном выше уравнении и получить почти правильный результат (проверьте это с помощью программного обеспечения EDA, если вы нам не доверяете).Вот пример: рассмотрим микрополоску на GaAs с тангенсом угла потерь = 0,0016 и E r = 12,9. Если не учитывать (на данный момент) компонент E r , потери на частоте 110 ГГц составят 0,16 дБ / см. Обоснованное предположение о Кэфф в любой микрополосковой линии состоит в том, что 70% полей содержится в подложке, поэтому Кэфф составляет ~ 9. Извлеките квадратный корень (3) и умножьте на 0,16 дБ / см, чтобы оценить потери тангенса угла потерь на GaAs MMIC ~ 0,5 дБ / см. Обратите внимание, что потеря металла будет доминирующим эффектом на большинстве интересующих частот….
Теперь пришло время для еще одной микроволновки. 101 Практическое правило:
Потери касательной потери Практическое правило № 116
Линия передачи ПЭМ
, тангенс угла потерь 0,01 (что довольно много) приводит к потере почти точно 1 дБ / см на частоте 110 ГГц, , прежде чем вы масштабируете его с помощью SQRT (диэлектрическая постоянная) . Поскольку он линейен с частотой, вы должны уметь масштабировать затухание тангенса угла потерь в уме. Вы можете приблизительно оценить затухание в микрополосках или CPW, если масштабировать по эффективной диэлектрической проницаемости.
Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу страницу о потерях в коаксиальном кабеле из-за тангенса угла диэлектрических потерь
Затухание из-за проводимости подложки ( G )
Примечание: во многих учебниках термин потерь проводимости в подложке связывается с термином потерь тангенса угла потерь. Мы решили разделить их, они ведут себя по-разному.
Благодаря отличным диэлектрикам, которые у нас есть для коаксиальных кабелей (таких как PTFE) и MMIC (GaAs), потери из-за проводимости подложки часто игнорируются, потому что они обычно очень малы, потому что диэлектрик имеет чрезвычайно низкую проводимость.Тем не менее, распространение кремния в микроволновой области снова привлекло наше внимание к этому термину, потому что кремний имеет относительно плохие электроизоляционные свойства (настоящий полупроводник!). Давайте добавим еще одно практическое правило микроволн, чтобы провести линию, где должна быть проводимость подложки. рассмотрено:
Потеря в линии передачи Практическое правило № 80
При рассмотрении потерь в линии передачи из-за диэлектрической проводимости, если удельное сопротивление диэлектрика больше 10 000 Ом-см, забудьте об этом! Это в значительной степени исключает все подложки, кроме кремния, которые могут иметь сопротивление от 1 Ом-см (очень потери) до 10 000 Ом-см (очень дорогой кремний с плавающей зоной).ПТФЭ 1Е18 Ом см!
Вот общее уравнение для этого механизма потерь с использованием элемента G ‘модели линии передачи:
Одна вещь, которую вы должны знать о потерях из-за проводимости подложки: это НЕ функция частоты! Так что, если вы используете дешевый омметр для измерения сопротивления постоянному току на двух проводниках линии передачи (и не подключаете другой конец, это было бы глупо!), У вас есть все необходимое для прогнозирования потерь из-за проводимости на частоте 10 ГГц!
Еще одна вещь, которую вы должны знать: для среды передачи с однородной диэлектрической средой (коаксиальный кабель, полосковая линия) расчет G ‘по сути такой же расчет, как и C’, за исключением того, что вы подставляете проводимость диэлектрика вместо его диэлектрической проницаемости.Мы рассмотрим это более подробно по ссылкам ниже.
Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу страницу о микрополосковых потерях из-за проводимости подложки
Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу страницу о потерях в коаксиальном кабеле из-за диэлектрической проводимости
Затухание из-за излучения ( R )
Это еще один механизм ослабления, который имеет очень небольшой эффект, если ваши схемы работают хорошо. На самом деле это не затухание в том смысле, в котором энергия увеличивается при нагревании, это скорее потеря утечки.Но влияние на ваш сигнал в любом случае одинаково, он теряет энергию.
Как правило, более толстые подложки теряют больше радиации, чем более тонкие, а изгибы будут излучать больше, чем прямые участки линий. Вы можете избежать потерь излучения, если будете придерживаться волновода, и минимизировать их, используя полосковую линию.
Нет простого способа учесть ослабление из-за излучения с помощью модели линии передачи или популярных линейных симуляторов, таких как Microwave Office или ADS.Это одна из причин, почему трехмерные симуляторы электромагнитных конструкций так популярны!
Новое в декабре 2015 г .: вот небольшой бесплатный код MatLab, который поможет вам рассчитать потери на радиацию, спасибо Свену ван Беркелю на нашей доске сообщений! Он основан на квазианалитическом подходе и был написан в Делфтском техническом университете. Проверьте это и расскажите, как это работает для вас. Это автономный исполняемый файл, поэтому вам не нужна лицензия MatLab. Все необходимые библиотеки включены в исполняемый файл.Благодарность!
http://terahertz.tudelft.nl/Research/project.php?id=74&ti=27
Диэлектрические резонаторы и диэлектрические материалы (TE)
Материал СВЧ диэлектрического резонатора является краеугольным камнем будущих коммуникационных технологий (режим TE01δ). Микроволновая диэлектрическая керамика как ключевой базовый материал для современных коммуникационных технологий, после многих лет непрерывных исследований и разработок Token Electronics с использованием новейших технологий для производства микроволновой керамики удалось достичь различных значений диэлектрической проницаемости, добротности Q керамических материалов для новых сред и в качестве диэлектрического материала применение микроволновых частот современных схем и современных электронных коммуникаций в фильтрах, резонаторах, диэлектрических подложках, таких как материалы компонентов СВЧ диэлектрических волноводных схем.
По сравнению с СВЧ-диэлектрическими компонентами, изготовленными из керамических материалов Token и металлического резонатора, диэлектрический резонатор Token, очевидно, отличается легким весом, малым объемом, температурным коэффициентом стабильности, дешевизной и т. Д. Они широко используются в системах приема спутникового вещания, фильтрах PCS / PCN, базовых станциях, детекторах радаров, беспроводной мобильной связи, телекоммуникационных компьютерных системах, военных объектах, микроволновой печи, современной медицине и многих других областях.
Использование диэлектрических керамических материалов Token для изготовления диэлектрических фильтров и резонаторов с относительно высокой диэлектрической проницаемостью позволяет уменьшить размеры устройства и сэкономить место в схеме; высокое значение добротности Q и низкие диэлектрические потери для обеспечения хороших частотных характеристик выбора и низких вносимых потерь устройства; температурный коэффициент небольшой, чтобы обеспечить термостабильность устройства.Диэлектрическая постоянная, добротность Q, температурный коэффициент — эти три параметра позволяют оценить важные технические характеристики и производство керамического материала для микроволнового диэлектрика.
Заказные детали доступны по запросу. Token также будет производить устройства за пределами этих спецификаций, чтобы удовлетворить особые требования клиентов,
, пожалуйста, свяжитесь с нашим отделом продаж для получения дополнительной информации.
Загрузить техническое описание диэлектрических резонаторов и материалов (TE) в формате PDF.
Приложения:
- Детекторы радаров полиции. Антенны диэлектрического резонатора.
- Беспроводное кабельное телевидение LMDS / MMDS. Датчики предотвращения столкновений автомобилей.
- LNB, фильтры PCS / PCN, дуплексер и объединители. Фильтр базовой станции сотовой связи, дуплексер и объединители.
Характеристики:
- Высокое значение добротности. Легко контролировать τ f.
- Различные материалы с диэлектрической проницаемостью.
.
