Исследование электрофизических свойств композитного диэлектрического материала с низкой диэлектрической постоянной

Активное развитие телекоммуникационных систем, работающих на частотах от 30 ГГц и выше (в том числе систем 5G), требует разработки и создания материалов с диэлектрической постоянной менее 2,2, совместимых с технологией печатных плат. Технологические подходы изготовления таких материалов основаны на формировании воздушных полостей в исходной диэлектрической матрице и требуют контроля их СВЧ-параметров (в первую очередь диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь) в заданном диапазоне частот. В работе представлены результаты исследования электрофизических свойств композитного диэлектрического материала с низкой диэлектрической постоянной. Герметизированные диэлектрические пластины с заданным распределением воздушных полостей по объему изготавливали с помощью механической перфорации и аддитивной технологии 3D-печати. СВЧ-параметры полученных образцов определяли с помощью разъемного цилиндрического резонатора на частоте ~10 ГГц. Исследовали образцы с минимальным значением диэлектрической проницаемости 1,75. Установлено, что применение аддитивных технологий 3D-печати ввиду целого ряда особенностей приводит к искажению геометрических размеров формирующихся воздушных полостей, что, в свою очередь, влияет на электрофизические свойства образцов. Полученные результаты могут быть использованы при разработке новых СВЧ-материалов.

1. Tong C. PCB materials and design requirements for 5G systems.— Cham: Springer, 2022. DOI: 10.1007/978-3-031-17207-6

2. Krishna N., Padmasine K. A review on microwave band pass filters: materials and design optimization techniques for wireless communication systems / Materials Science in Semiconductor Processing. 20 23. Vol. 154. 107181. DOI: 10.1016/j.mssp.2022.107181

3. Varghese J., Joseph N., Jantunen H., et al. Microwave materials for defense and aerospace applications. — Cham: Springer, 2020. DOI: 10.1007/978-3-030-16347-1

4. Wang L., Yang J., Cheng W., et al. Progress on polymer composites with low dielectric constant and low dielectric loss for high-frequency signal transmission / Frontiers in Materials. 2021. Vol. 8. 774843. DOI: 10.3389/fmats.2021.774843

5. Islam M., Fu Y., Deb H., et al. Polymer-based low dielectric constant and loss materials for high-speed communication network: Dielectric constants and challenges / European Polymer Journal. 2023. Vol. 200. 112543. DOI: 10.1016/j.eurpolymj.2023.112543

6. Li Y., Zhou J., Shen J., et al. Ultra-low permittivity HSM/PTFE composites for high-frequency microwave circuit application / Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2022. Vol. 33. No. 13. P. 10096 – 10103. DOI: 10.1007/s10854-022-07999-z

7. Platonov R., Altynnikov A., Kozyrev A. A Tunable Beamforming Ferroelectric Lens for Millimeter Wavelength Ranges / Coatings. 2020. Vol. 10. No. 2. P. 180. DOI: 10.3390/coatings10020180

8. Nasr A., Nashashibi A., Sarabandi K. Ultrawideband characterization of complex dielectric constant of planar materials for 5G applications / IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2021. Vol. 70. P. 1 – 11. DOI: 10.1109/tim.2021.3102742

9. Wu C., Li Q., Hong Y., et al. Development of a High-Frequency Polytetrafluoroethylene (PTFE)-Based Laminate With an Ultra-Low Dielectric Constant by Combination of Ceramic Hollow Spheres and PTFE Resin / Chemistry Select. 2024. Vol. 9. No. 13. P. e202303461. DOI: 10.1002/slct.202303461

10. Hong Z., DongyangW., Yong F., et al. Dielectric properties of polyimide/SiO2 hollow spheres composite films with ultralow dielectric constant / Materials Science and Engineering: B. 2016. Vol. 203. P. 13 – 18. DOI: 10.1016/j.mseb.2015.10.003

11. Han K., Zhou J., Shen J., et al. Effect of filler structure on the dielectric and thermal properties of SiO2/PTFE composites / Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2020. Vol. 31. P. 9196 – 9202. DOI: 10.1007/s10854-020-03449-w

12. Bi K., Wang Q., Xu J., et al. All-dielectric metamaterial fabrication techniques / Advanced Optical Materials. 2021. Vol. 9. No. 1. P. 2001474. DOI: 10.1002/adom.202001474

13. Mei Z., Bai J., Cui T. Gradient index metamaterials realized by drilling hole arrays / Journal of Physics D: Applied Physics. 2010. Vol. 43. No. 5. 055404. DOI: 10.1088/0022-3727/43/5/055404

14. Sato K., Ujiie H. A plate Luneberg lens with the permittivity distribution controlled by hole density / Electronics and Communications in Japan (Part I: Communications). 2002. Vol. 85. No. 9. P. 1 – 12. DOI: 10.1002/ecja.1120

15. Munina I., Grigoriev I., O’Donnell G., et al. A review of 3D printed gradient refractive index lens antennas / IEEE Access. 2023. Vol. 11. P. 8790 – 8809. DOI: 10.1109/access.2023.3239782

16. Zheng Y. X., Xiang B. J., Pan Y. M., et al. Compact cylinder Luneburg-lens antennas based on 3D printing technology / IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2023. Vol. 71. No. 3. P. 2311 – 2320. DOI: 10.1109/tap.2023.3237262

17. Nguyen N., Rolland A., Boriskin A., et al. Size and weight reduction of integrated lens antennas using a cylindrical air cavity / IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2012. Vol. 60. No. 12. P. 5993 – 5998. DOI: 10.1109/tap.2012.2208931

18. Mrnka M., Raida Z. An effective permittivity tensor of cylindrically perforated dielectrics / IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2017. Vol. 17. No. 1. P. 66 – 69. DOI: 10.1109/lawp.2017.2774448

19. Kozyrev A. B., Komlev A. E., Sosynov A. M., et al. Study of the properties of a composite material for microwave applications based on PTFE with different concentrations and small particles of ceramic filler / News of higher educational institutions of Russia. Radio electronics. 2023. Vol. 26. No. 2. P. 16 – 24 [in Russian]. DOI: 10.32603/1993-8985-2023-26-2-16-24

20. Krylov V. P. Study of the relationship between the intrinsic Q-factor of a volumetric wave resonator and the error in determining the dielectric constant of a material / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2023. Vol. 89. No. 4. P. 45 – 49 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-4-45-49

21. Rothwell E. J., Frasch J. L., Ellison S. M., et al. Analysis of the Nicolson-Ross-Weir method for characterizing the electromagnetic properties of engineered materials / Progress in Electromagnetics Research. 2016. Vol. 157. P. 31 – 47. DOI: 10.2528/pier16071706

22. Gagarin A., Tsyganova D., Altynnikov A., et al. An Adaptation of the Split-Cylinder Resonator Method for Measuring the Microwave Properties of Thin Ferroelectric Films in a “Thin Film – Substrate” Structure / Sensors. 2024. Vol. 24. No. 3. P. 755. DOI: 10.3390/s24030755