Development of a high precision measurement setup for the complex permittivity of polymers

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Helsinki University of Technology | Diplomityö
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author

Authors

Date

2008

Department

Radiotieteen ja -tekniikan laitos

Major/Subject

Radiotekniikka

Mcode

S-26

Degree programme

Language

en

Pages

72 s. + liitt. 5

Series

Abstract

Tässä diplomityössä suunnitellaan, rakennetaan ja arvioidaan mittausjärjestely polymeerimateriaalien permittiivisyyden selvittämiseksi mikroaaltotaajuuksilla. Eristeaineissa permittiivisyys määrää radioaallon ja väliaineen väliset vuorovaikutukset. Onnistuneen suunnittelutuloksen saavuttamiseksi mikroaaltoinsinöörin tarvitsee siksi tietää esimerkiksi piirilevyissä yleisesti käytettyjen eristemateriaalien kompleksinen permittiivisyysarvo tarkasti. Tuloksille vaaditun 1-2 % suhteellisen epävarmuuden vuoksi käytetään onteloresonaattorimenetelmää. Resonaattorimenetelmässä permittiivisyyden reaaliosa määritetään resonanssitaajuuden ja imaginääriosa hyvyysluvun muutoksesta, joka mitataan tyhjän ja näytteellä täytetyn resonaattorin väliltä. Tässä työssä reaaliosa saadaan vertaamalla mitattua taajuusmuutosta vastaavaan simuloimalla saatuun taajuusmuutokseen ja reaaliosaan. Simulointeja käytetään myös mittaussysteemin suunnittelun apuna. Käytettävyyssyistä näytetyyppi on pitkä tanko. Näytteet mitataan noin 3 GHz :n taajuudella messinkisellä sylinteriresonaattorilla, joka toimii aaltomuodolla TM010. Permittiivisyyden ja ontelomenetelmän perusteiden esittelyn jälkeen tarkastellaan yksityiskohtaisesti tärkeimpiä suunnittelumuuttujia (aaltomuoto, näytetyyppi, mittaustaajuus, kytkentä ja ontelon materiaali) ja perustellaan tehdyt suunnittelupäätökset. Ontelon säde on yhteydessä mittaustaajuuteen. Se liittyy myös aaltomuotoon, kuten ontelon korkeuskin. Korkeus liittyy lisäksi hyvyyslukuun, ja sitä rajoittaa esimerkiksi näytteen pituus. Näytteen pituutta rajoittaa näytteen säde. Näytteen säde vaikuttaa ontelon mahdolliseen säteilemiseen jne. Koska suunnittelumuuttujat liittyvät läheisesti toisiinsa, on hyödyllistä käyttää simulointeja suunnittelussa. Mainittujen muuttujien simulointien lisäksi kuvaillaan esimerkiksi tehdyt simuloinnit dielektrisen vakion määrittämiseksi. Sitten esitellään mittaussysteemin tarkistamiseksi tehdyt mittaukset ja esimerkkimateriaalien mittausten tulokset. Lopuksi tuloksia verrataan laskettuihin teoreettisiin arvoihin, pohditaan niiden välisiä eroja ja arvioidaan mittaustulosten epävarmuutta. Suunniteltu mittausjärjestely on edullinen, helppokäyttöinen ja sopiva polymeerien dielektrisen valtion mittaamiseen arvioidulla suhteellisella epävarmuudella 1,6 %. Kuten tämän työn määrittelyissä toivottiin, mittausjärjestelyn käyttö dielektristen häviöiden mittaamiseen on mahdollista, mutta vaatii jatkotutkimuksia.

Description

Supervisor

Icheln, Clemens

Thesis advisor

Maier, Marcus

Keywords

permittivity measurement at microwave frequencies, permittiivisyyden mittaaminen mikroaaltotaajuuksilla, cavity resonator method, onteloresonaattorimenetelmä, determining dielectric constant with help of simulations, dielektiivisyysvakion määrittäminen simulointien avulla

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020120554238

Collections

[dipl] Teknillinen korkeakoulu / TKK