DE102018132534A1 - Device and method for determining a non-linearity of a dielectric material - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung einer Nichtlinearität der Ladungsverschiebung, die in einem dielektrischen Material in Reaktion auf ein elektrisches Feld hervorgerufenen wird, insbesondere zur Bestimmung eines mit einer Suszeptibilität i-ter Ordnung χin Zusammenhang stehenden Koeffizienten α= χ/εeiner Reihendarstellung der elektrischen Flussdichte D(E) = εε(E + ∑αE) innerhalb des dem elektrischen Feld E ausgesetzten dielektrischen Materials mit relativer Permittivität ε.The invention relates to a device and a method for determining a non-linearity of the charge shift that is caused in a dielectric material in response to an electric field, in particular for determining a coefficient α = χ / ε of a series representation associated with an i-order susceptibility χ the electrical flux density D (E) = εε (E + ∑αE) within the dielectric material exposed to the electrical field E with relative permittivity ε.
Description
Gebiet der ErfindungField of the Invention
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung einer Nichtlinearität der Ladungsverschiebung, die in einem dielektrischen Material in Reaktion auf ein elektrisches Feld hervorgerufenen wird.The invention relates to an apparatus and a method for determining a non-linearity of the charge shift that is caused in a dielectric material in response to an electric field.
Hintergrund der ErfindungBackground of the Invention
Die wachsende Nachfrage nach Hochgeschwindigkeitsdaten in mobilen Anwendungen erfordert neue Lösungen in vielen Bereichen der Technik und der Wissenschaft. Insbesondere steigt in Netzwerken für die drahtlose Kommunikation im GHz-Frequenzbereich die nötige Anzahl der Kanäle, die gleichzeitig genutzt werden. Die derzeit in der Entwicklung befindliche fünfte Generation von Mobilfunkstandards (5G) zielt darauf ab, das Datenvolumen im Vergleich zur heute verwendeten LTE4-Technologie den Faktor 100 oder mehr zu erhöhen. Dieses ehrgeizige Ziel erfordert neue Spezifikationen für Mobilfunknetze.The growing demand for high-speed data in mobile applications requires new solutions in many areas of technology and science. In particular, in networks for wireless communication in the GHz frequency range, the necessary number of channels that are used simultaneously is increasing. The fifth generation of mobile radio standards (5G) currently under development aims to increase the data volume by a factor of 100 or more compared to the LTE4 technology used today. This ambitious goal requires new specifications for cellular networks.
Die Datengeschwindigkeit (in Bit/s) ist direkt proportional zur Bandbreite (in Hz=1/s), die für die Informationsübertragung zur Verfügung steht. Bei höheren Frequenzen steht also mehr relative Bandbreite zur Verfügung. Im elektromagnetischen Spektrum existieren zwei Fenster in der Transparenz der Atmosphäre, die für drahtlose Anwendungen genutzt werden können, eines im optischen Bereich (λ ≈ einige nm) und eines im Mikrowellenbereich (Lambda ≈ einige cm). Während das optische Fenster für die mobile Kommunikation nicht verwendet wird, wird das Mikrowellenfenster durch zahleiche bekannte Technologien genutzt, insbesondere Radio, GPS, Satellitenfernsehen, WLAN, Radar- und Mobiltelefonverbindungen. Im Hinblick auf die Erreichung des 5G-Standards, wird der Frequenzraum auf höhere Frequenzen erweitert und effizienter genutzt werden müssen.The data speed (in bit / s) is directly proportional to the bandwidth (in Hz = 1 / s) that is available for information transmission. At higher frequencies, there is more relative bandwidth available. In the electromagnetic spectrum, there are two windows in the transparency of the atmosphere that can be used for wireless applications, one in the optical range (λ ≈ a few nm) and one in the microwave range (Lambda ≈ a few cm). While the optical window is not used for mobile communication, the microwave window is used by a number of known technologies, in particular radio, GPS, satellite television, WLAN, radar and mobile phone connections. With regard to the achievement of the 5G standard, the frequency space will have to be expanded to higher frequencies and used more efficiently.
Der Einsatz von Dielektrika in Mikrowellenschaltungen hat mehrere Vorteile: Zum einen können sie als dielektrische Resonatoren (DR) für Filter eingesetzt werden. Hier schneiden sie aufgrund ihrer miniaturisierten Größe besser ab als herkömmliche Mikrowellen-Hohlraumresonatoren. Darüber hinaus können Antennen mit Dielektrika ausgestattet werden, was kleinere Bauformen erlaubt und ihre Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen der elektromagnetischen Eigenschaften des umgebenden Raumes reduziert.The use of dielectrics in microwave circuits has several advantages: On the one hand, they can be used as dielectric resonators (DR) for filters. Because of their miniaturized size, they do better than conventional microwave cavity resonators. In addition, antennas can be equipped with dielectrics, which allows smaller designs and reduces their sensitivity to changes in the electromagnetic properties of the surrounding space.
Dielektrika, die in Mikrowellenanwendungen verwendet werden, sind hauptsächlich (gesinterte) Keramiken. Dielektrische Resonatoren mit hohen Dielektrizitätskonstanten und geringen dielektrischen Verlusten wurden ebenso entwickelt wie temperaturbeständige Systeme. Aufgrund ihres Produktionsprozesses beim Sintern zeigen sie jedoch einige Artefakte mit Nachteilen: Ein gewisser Grad an Porosität und Inhomogenität. Glaskeramiken hingegen werden aus einer homogenen flüssigen Glasschmelze hergestellt. Aufgrund des unterschiedlichen Verfahrens zeigen sie nicht die Nachteile von Sinterkeramiken, haben jedoch einen anderen Nachteil: Ihr dielektrischer Verlust ist etwa 10 mal größer als bei gesinterten Keramiken.Dielectrics that are used in microwave applications are mainly (sintered) ceramics. Dielectric resonators with high dielectric constants and low dielectric losses have been developed as well as temperature-resistant systems. However, due to their sintering production process, they show some artifacts with disadvantages: a certain degree of porosity and inhomogeneity. Glass ceramics, on the other hand, are made from a homogeneous liquid glass melt. Due to the different process, they do not show the disadvantages of sintered ceramics, but they have another disadvantage: their dielectric loss is about 10 times greater than that of sintered ceramics.
Die wichtigsten Eigenschaften die ein dielektrisches Material für GHz-Anwendungen charakterisieren sind seine relative Dielektrizitätskonstante εr, sein Verlust tan δ und sein Temperaturkoeffizient τf. Ein dielektrischer Resonator für mobile Kommunikationssysteme sollte eine hohe Dielektrizitätskonstante εr, einen geringen Verlust tan δ und einen verschwindenden Temperaturkoeffizienten τf der Resonanzfrequenz aufweisen.The most important properties that characterize a dielectric material for GHz applications are its relative dielectric constant ε r , its loss tan δ and its temperature coefficient τ f . A dielectric resonator for mobile communication systems should have a high dielectric constant ε r , a low loss tan δ and a vanishing temperature coefficient τ f of the resonance frequency.
Es gibt verschiedene Methoden, um diese Eigenschaften zu bestimmen, sowie zahlreiche Forschung, die sich damit befasst, diese Eigenschaft zu realisieren. Die Mobilfunktechnik steht jedoch vor der Herausforderung der Intermodulation, die durch die oben genannten Eigenschaften nicht beschrieben werden kann. Intermodulation entsteht durch die nichtlineare Reaktion einer ansonsten passiven Vorrichtung und wird daher als passive Intermodulation (PIM) bezeichnet, um sie von nichtlinearen Reaktionen aktiver Vorrichtungen wie Verstärkern zu unterscheiden. Intermodulation kann verschiedene Ursachen haben, beispielsweise Dielektrika, die nichtlinear auf ein angelegtes elektrisches Feld reagieren. Im Allgemeinen ist es schwierig, die verschiedenen Quellen von PIM experimentell zu isolieren.There are various methods for determining these properties, as well as numerous research that is concerned with realizing this property. Mobile radio technology, however, faces the challenge of intermodulation, which cannot be described by the properties mentioned above. Intermodulation arises from the nonlinear response of an otherwise passive device and is therefore referred to as passive intermodulation (PIM) to distinguish it from nonlinear responses from active devices such as amplifiers. Intermodulation can have various causes, for example dielectrics that react non-linearly to an applied electrical field. In general, it is difficult to experimentally isolate the various sources of PIM.
Die Messung von PIM erfolgt heutzutage in der Regel auf Systembasis. Shitvov et al. messen die PIM-Erzeugung beispielsweise in einer Mikrostreifenleitung, wobei die PIM-Erzeugung vom Leiter oder vom Substrat ausgehen kann (Alexey Shitvov, Dmitry Kozlov, Alexander Schuchinsky: Nonlinear Characterization for Microstrip Circuits with Low Passive Intermodulation, IEEE Transactions on Microwave Theory and Tequniques 66:2, 865-874, 2018).Nowadays, PIM is usually measured on a system basis. Shitvov et al. measure the PIM generation in a microstrip line, for example, whereby the PIM generation can start from the conductor or from the substrate (Alexey Shitvov, Dmitry Kozlov, Alexander Schuchinsky: Nonlinear Characterization for Microstrip Circuits with Low Passive Intermodulation, IEEE Transactions on Microwave Theory and Tequniques 66 : 2, 865-874, 2018).
Eine Ausnahme von den Systemmessungen ist die Arbeit von Nishikawa et. AI. für Sinterkeramik (JPH02147962A), die einen Aufbau beschriebt, bei welchem die Intermodulation allein auf ein dielektrisches Material zurückzuführen ist. Ferner darauf aufbauend, die von Florian Bergmann verfasste Masterarbeit, die sich mit der Charakterisierung der Nichtlinearität von Glaskeramiken als Materialeigenschaft befasst (2018, Florian Bergmann, „Measuring extremely small nonlinear electric responses in glasses and glass ceramics“, SCHOTT AG).An exception to the system measurements is the work of Nishikawa et. AI. for sintered ceramics (JPH02147962A), which describes a structure in which the intermodulation is solely due to a dielectric material. Building on this, the master thesis written by Florian Bergmann, which deals with the characterization of the nonlinearity of glass ceramics as a material property (2018, Florian Bergmann, "Measuring extremely small nonlinear electric responses in glasses and glass ceramics", SCHOTT AG).
Für Materialien mit niedrigen Dielektrizitätskonstanten εr gelangen diese Ansätze allerdings an ihre Grenzen. Dies betrifft insbesondere die meisten Substratmaterialien. In diesen Fällen ist der Aufbau eines gemäß Nishikawa et. al. beschriebenen Resonators mit einer Eigenresonanz nicht mehr durchführbar. For materials with low dielectric constants ε r , however, these approaches reach their limits. This applies in particular to most substrate materials. In these cases, the structure of a according to Nishikawa et. al. described resonator with a natural resonance no longer feasible.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereit zu stellen, welche es ermöglichen, passive Intermodulation (PIM) auf Materialbasis in Materialien mit niedrigen Dielektrizitätskonstanten (relativer Permittivität) εr zu bestimmen. Insbesondere soll demnach eine Vorrichtung und ein Verfahren angegeben werden, das es ermöglicht, eine Nichtlinearität der Ladungsverschiebung, die in einem dielektrischen Material in Reaktion auf ein elektrisches Feld hervorgerufenen wird, zu bestimmen.It is therefore an object of the invention to provide an apparatus and a method which make it possible to determine passive intermodulation (PIM) on a material basis in materials with low dielectric constants (relative permittivity) ε r . In particular, a device and a method should therefore be specified which make it possible to determine a non-linearity of the charge shift which is caused in a dielectric material in response to an electric field.
Allgemeine Beschreibung der ErfindungGeneral description of the invention
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Nichtlinearität der Ladungsverschiebung, die in einem dielektrischen Material in Reaktion auf ein elektrisches Feld hervorgerufenen wird, insbesondere zur Bestimmung eines mit einer Suszeptibilität i-ter Ordnung χi in Zusammenhang stehenden Koeffizienten αi = χi/εr einer Reihendarstellung der elektrischen Flussdichte D(E) = ε0εr(E + ∑i=3,5,... αiEi) innerhalb des dem elektrischen Feld E ausgesetzten dielektrischen Materials mit relativer Permittivität εr.The invention relates to an apparatus for determining a non-linearity of charge displacement, which is caused in a dielectric material in response to an electric field, in particular for determining a ter i-a susceptibility order χ i in context property coefficients α i = χ i / ε r a series representation of the electrical flux density D (E) = ε 0 ε r (E + ∑ i = 3.5, ... α i E i ) within the dielectric material exposed to the electric field E with relative permittivity ε r .
Die Vorrichtung umfasst eine Resonatoranordnung mit zumindest einem Resonatorelement, welches das dielektrische Material mit relativer Permittivität εr enthält.The device comprises a resonator arrangement with at least one resonator element which contains the dielectric material with relative permittivity ε r .
Die Vorrichtung umfasst ferner eine Injektionseinrichtung zur Einleitung zumindest eines Signals, welches dazu dient, die Resonatoranordnung dem elektrischen Feld E auszusetzen.The device further comprises an injection device for introducing at least one signal, which serves to expose the resonator arrangement to the electric field E.
Außerdem umfasst die Vorrichtung eine Extraktionseinrichtung zur Entnahme zumindest eines Signals, welches einer Resonanz der Resonatoranordnung entspricht.In addition, the device comprises an extraction device for extracting at least one signal which corresponds to a resonance of the resonator arrangement.
Das dielektrische Material mit relativer Permittivität εr stellt eine Störung in einem auch ohne dieses Material resonierenden System bzw. in einer auch ohne dieses Material resonierenden Resonatoranordnung dar. Die Eigenfrequenz der Resonanz ist demnach insbesondere nicht alleine durch das zu charakterisierende Material der Permittivität εr bestimmt wird.The dielectric material with relative permittivity ε r represents a perturbation in a system which resonates even without this material or in a resonator arrangement which also resonates without this material. The natural frequency of the resonance is therefore in particular not determined solely by the material of the permittivity ε r to be characterized becomes.
Insbesondere enthält das Resonatorelement zusätzlich zu dem dielektrischen Material mit relativer Permittivität εr zumindest ein weiteres dielektrisches Material mit größerer relativer Permittivität
Es kann aber auch ein Aufbau mit drei im Winkel von ca. 120 Grad angeordneten Fabry-Perrot-Resonatoren vorgesehen sein, in deren Zentrum sich eine Probe bzw. das εr-Material befindet.However, it is also possible to provide a structure with three Fabry-Perrot resonators arranged at an angle of approximately 120 degrees, in the center of which there is a sample or the ε r material.
Vorzugsweise umfasst das Resonatorelement zumindest drei benachbart angeordnete, insbesondere aneinander angrenzende, Scheiben, derart, dass eine mittlere Scheibe von einer linken Scheibe und einer rechten Scheibe axial umgeben ist, wobei die mittlere Scheibe das dielektrische Material mit relativer Permittivität εr enthält und/oder eine der oder die beiden umgebenden Scheiben das dielektrische Material mit relativer Permittivität
Es kann aber grundsätzlich auch vorgesehen sein, dass das Resonatorelement zumindest drei konzentrisch angeordnete, insbesondere aneinander angrenzende, Scheiben umfasst, derart, dass eine ringförmige mittlere Scheibe von einer inneren Scheibe und einer ringförmigen äußeren Scheibe radial umgeben ist, wobei die mittlere Scheibe das dielektrische Material mit relativer Permittivität εr enthält und/oder eine der oder die beiden umgebenden Scheiben das dielektrische Material mit relativer Permittivität
Das dielektrische Material weist insbesondere eine relative Permittivität εr < 20, vorzugsweise εr < 15, besonders bevorzugt εr < 10, nochmals bevorzugter εr < 5 auf.The dielectric material has in particular a relative permittivity ε r <20, preferably ε r <15, particularly preferably ε r <10, again more preferably ε r <5.
Das weitere dielektrische Material weist insbesondere eine relative Permittivität
Vorzugsweise umfasst die Resonatoranordnung mehrere, insbesondere drei, gekoppelte Resonatorelemente, wobei die mehreren gekoppelten Resonatorelemente mehrere, insbesondere drei, Resonanzen aufweisen, vorzugsweise mit Frequenzen ω1, ω2, ω3, wobei ω3 = 2ω2 - ω1 gilt.The resonator arrangement preferably comprises a plurality of, in particular three, coupled resonator elements, the plurality of coupled resonator elements a plurality, in particular three, Have resonances, preferably with frequencies ω 1 , ω 2 , ω 3 , where ω 3 = 2ω 2 - ω 1 applies.
Die Vorrichtung umfasst ferner vorzugsweise einen, insbesondere tubulär ausgebildeten, Wellenleiter, welcher das oder die, insbesondere zylindrisch ausgebildeten, Resonatorelemente beherbergt. Die Eigenfrequenzen ω1, ω2, ω3 liegen vorzugsweise im cut-off Bereich des Wellenleiters, so dass elektromagnetische Wellen mit den Frequenzen nicht propagieren können.The device preferably further comprises a, in particular tubular, waveguide, which houses the resonator element (s), in particular a cylindrical one. The natural frequencies ω 1 , ω 2 , ω 3 are preferably in the cut-off region of the waveguide, so that electromagnetic waves cannot propagate with the frequencies.
Es kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Injektionseinrichtung zumindest zwei getrennte, insbesondere stirnseitig an dem Wellenleiter angeordnete, Eingangselemente zur Einleitung zumindest zwei verschiedener Signale aufweist, um die Resonatoranordnung einem als Superposition gebildeten elektrischen Feld E = E1 + E2 auszusetzen.It can preferably be provided that the injection device has at least two separate input elements, in particular arranged on the end face of the waveguide, for introducing at least two different signals in order to expose the resonator arrangement to an electric field E = E 1 + E 2 formed as a superposition.
Bevorzugt weisen das oder die Resonatorelemente eine Dicke zwischen 1 und 4 Zentimeter * ωmess/GHz und/oder einen Durchmesser zwischen 3 und 9 Zentimeter * ωmess/GHz auf, wobei die Werte von Scheibendicke und Durchmesser als Länge multipliziert mit der Messfrequenz ωmess (in GHz) angegeben sind. Um die Nichtlinearitäten bei höheren Frequenzen bestimmen zu können kann ein kleinerer Aufbau zum Einsatz kommen, wobei bei zu hohen Frequenzen und demnach zu kleinem Aufbau die Fertigungsungenauigkeiten einen limitierenden Faktor darstellen können.The resonator element or elements preferably have a thickness between 1 and 4 centimeters * ω mess / GHz and / or a diameter between 3 and 9 centimeters * ω mess / GHz, the values of the disk thickness and diameter being the length multiplied by the measurement frequency ω mess (in GHz) are given. In order to be able to determine the non-linearities at higher frequencies, a smaller structure can be used, with manufacturing inaccuracies being a limiting factor when the frequencies are too high and accordingly too small.
Vorzugsweise liegen die Frequenzen ω1, ω2, ω3 so dicht beieinander, dass sich die dielektrischen Eigenschaften, insbesondere der dielektrische Verlust nicht nennenswert ändert. Demnach kann (ω1 - ω2)/ω1 < 0,1, bevorzugt (ω1 - ω2)/ω1 < 0,05 vorgesehen sein. Insbesondere ergeben sich drei äquidistante Resonanzfrequenzen, die vorzugsweise nahe beieinander liegen (relativer Abstand kleiner als 0,1, besser 0,05).The frequencies ω 1 , ω 2 , ω 3 are preferably so close together that the dielectric properties, in particular the dielectric loss, do not change appreciably. Accordingly, (ω 1 - ω 2 ) / ω 1 <0.1, preferably (ω 1 - ω 2 ) / ω 1 <0.05 can be provided. In particular, there are three equidistant resonance frequencies, which are preferably close to each other (relative distance less than 0.1, better 0.05).
Die benachbart angeordnete linke, mittlere und rechte Scheibe kann eine Dicke zwischen 0,4 und 3 Zentimeter * ωmess/GHz, 0,1 und 3 Zentimeter * ωmess/GHz bzw. 0,4 und 3 Zentimeter * ωmess/GHz aufweisen.The adjacent left, middle and right pane can have a thickness between 0.4 and 3 centimeters * ω mess / GHz, 0.1 and 3 centimeters * ω mess / GHz or 0.4 and 3 centimeters * ω mess / GHz .
Im Fall konzentrisch angeordneter Scheiben kann die innere, mittlere und äußere Scheibe einen Durchmesser zwischen 0 und 5 Zentimeter * ωmess/GHz, 0 und 6 Zentimeter * ωmess/GHz bzw. 3 und 12 Zentimeter * ωmess/GHz aufweisen.In the case of concentrically arranged disks, the inner, middle and outer disks can have a diameter between 0 and 5 centimeters * ω mess / GHz, 0 and 6 centimeters * ω mess / GHz or 3 and 12 centimeters * ω mess / GHz.
Das oder die Resonatorelemente, insbesondere die benachbart angeordneten Scheiben oder die innere der konzentrisch angeordneten Scheiben können eine, insbesondere zentral ausgebildete, Lagerungsöffnung aufweisen.The resonator element or elements, in particular the adjacently arranged disks or the inner one of the concentrically arranged disks, can have a, in particular centrally formed, storage opening.
Entsprechend kann die Vorrichtung ferner eine Lagerungseinrichtung umfassen, um das oder die Resonatorelemente, insbesondere mittels der Lagerungsöffnung, zu halten und vorzugsweise von dem Wellenleiter zu beabstanden.Correspondingly, the device can further comprise a bearing device in order to hold the resonator element (s), in particular by means of the bearing opening, and preferably to space them from the waveguide.
Die Lagerungseinrichtung kann ein Material umfassen oder aus einem Material bestehen, welches eine relative Permittivität εr < 2, vorzugsweise εr < 1.5, besonders bevorzugt εr < 1.1, nochmals bevorzugter εr < 1.05 aufweist.The storage device can comprise a material or consist of a material which has a relative permittivity ε r <2, preferably ε r <1.5, particularly preferably ε r <1.1, again more preferably ε r <1.05.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verbund-Resonatorelement für eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Nichtlinearität der Ladungsverschiebung, die in einem dielektrischen Material in Reaktion auf ein elektrisches Feld hervorgerufenen wird, insbesondere wie vorstehend beschrieben.The invention further relates to a composite resonator element for a device for determining a non-linearity of the charge shift, which is caused in a dielectric material in response to an electric field, in particular as described above.
Das Verbund-Resonatorelement umfasst drei benachbart angeordnete, insbesondere aneinander angrenzende, Scheiben, derart, dass eine mittlere Scheibe von einer linken Scheibe und einer rechten Scheibe axial umgeben ist oder zumindest drei konzentrisch angeordnete, insbesondere aneinander angrenzende, Scheiben, derart, dass eine ringförmige mittlere Scheibe von einer inneren Scheibe und einer ringförmigen äußeren Scheibe radial umgeben ist.The composite resonator element comprises three adjacently arranged, in particular adjoining, disks, such that a middle disk is axially surrounded by a left-hand disk and a right-hand disk, or at least three concentrically arranged, in particular adjoining, disks, such that an annular middle disk Disc is radially surrounded by an inner disc and an annular outer disc.
Erfindungsgemäß enthält die mittlere Scheibe ein dielektrisches Material mit relativer Permittivität εr und eine der oder die beiden umgebenden Scheiben ein weiteres dielektrisches Material mit größerer relativer Permittivität
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Bestimmung einer Nichtlinearität der Ladungsverschiebung, die in einem dielektrischen Material in Reaktion auf ein elektrisches Feld hervorgerufenen wird, insbesondere zur Bestimmung eines mit einer Suszeptibilität i-ter Ordnung χi in Zusammenhang stehenden Koeffizienten αi = χi/εr einer Reihendarstellung der elektrischen Flussdichte D(E) = ε0εr(E + ∑i=3,5,... αiEi) innerhalb des dem elektrischen Feld E ausgesetzten dielektrischen Materials mit relativer Permittivität εr, insbesondere mittels einer Vorrichtung wie vorstehend beschrieben.The invention also relates to a method for determining a non-linearity of charge displacement, which is caused in a dielectric material in response to an electric field, in particular for determining a ter i-a susceptibility order χ i in context property coefficients α i = χ i / ε r a series representation of the electrical flux density D (E) = ε 0 ε r (E + ∑ i = 3.5, ... α i E i ) within the dielectric material exposed to the electric field E with relative permittivity ε r , in particular by means of a device as described above.
Bei dem Verfahren wird eine Resonatoranordnung mit zumindest einem Resonatorelement, welches ein dielektrisches Material mit relativer Permittivität εr und ein weiteres dielektrisches Material mit größerer relativer Permittivität
Die eingesetzte Resonatoranordnung kann mehrere Resonanzen aufweisen, insbesondere drei Resonanzen mit Frequenzen ω1, ω2, ω3, wobei ω3 = 2ω2 - ω1 gilt, insbesondere indem die Resonatoranordnung mehrere, insbesondere drei, gekoppelte Resonatorelemente umfasst. The resonator arrangement used can have several resonances, in particular three resonances with frequencies ω 1 , ω 2 , ω 3 , where ω 3 = 2ω 2 - ω 1 applies, in particular in that the resonator arrangement comprises several, in particular three, coupled resonator elements.
Es kann vorgesehen sein, dass die Resonatoranordnung einem als Superposition aus einem ersten elektrischen Feld mit einer Frequenz ω1 und einem zweiten elektrischen Feld mit einer Frequenz ω2 gebildeten elektrischen Feld E = E1 + E2 ausgesetzt wird und die angeregte Resonanz der Resonatoranordnung einer Intermodulation der Frequenz ω1 und der Frequenz ω2 entspricht, insbesondere mit der Frequenz ω3 = 2ω2 - ω1.It can be provided that the resonator arrangement is exposed to an electrical field E = E 1 + E 2 formed as a superposition from a first electrical field with a frequency ω 1 and a second electrical field with a frequency ω 2 and the excited resonance of the resonator arrangement Intermodulation corresponds to the frequency ω 1 and the frequency ω 2 , in particular with the frequency ω 3 = 2ω 2 - ω 1 .
Das entnommene Signal entspricht vorzugsweise der Resonanz mit der Frequenz ω3. Ferner vorzugsweise wird ein weiteres Signal entnommen, welches einer anderen Resonanz des Resonators entspricht, insbesondere der Resonanz mit der Frequenz ω1.The extracted signal preferably corresponds to the resonance with the frequency ω 3 . Furthermore, a further signal is preferably extracted which corresponds to a different resonance of the resonator, in particular the resonance with the frequency ω 1 .
Mittels eines oder mehrerer eingeleiteter Signale, welche dazu dienen, die Resonatoranordnung dem elektrischen Feld E auszusetzen und/oder eines oder mehrerer entnommener Signale, welcher einer Resonanz des Resonators entsprechen, kann die Nichtlinearität, insbesondere der Koeffizienten αi bestimmt werden.The nonlinearity, in particular the coefficients α i, can be determined by means of one or more signals which serve to expose the resonator arrangement to the electric field E and / or one or more signals which correspond to a resonance of the resonator.
Zur Bestimmung der Nichtlinearität, insbesondere des Koeffizienten αi, kann eine in der Resonanz des Resonatorelements gespeicherte Energie berechnet werden.To determine the non-linearity, in particular the coefficient α i , an energy stored in the resonance of the resonator element can be calculated.
Detaillierte Beschreibung einer AusführungsformDetailed description of an embodiment
Bei hohen elektrischen Feldstärken kann im allgemeinen nicht mehr von einem linearen Verhältnis zwischen der elektrischen Flussdichte und dem angelegten elektrischen Feld ausgegangen werden, sondern es sind Termen höherer Ordnung zu berücksichtigen. Der erste nichtlineare nicht verschwindende Term für ein isotropes Medium ist dritter Ordnung:
Von Interesse ist insbesondere die kubische Nichtlinearität α3. Diese ist bei Dielektrika verglichen mit Ferroelektrika gering. Die Herausforderung bei der Messung kleiner Nichtlinearitäten besteht darin, dass Geräte bei hohen elektrischen Feldstärken in der Regel ein nichtlineares Verhalten zeigen, so dass die Nichtlinearität des zu prüfenden Materials nicht mehr bestimmt werden kann. Ansätze zur Messung kleiner Nichtlinearitäten sollten daher berücksichtigen, hohe elektrische Felder allein an die betreffende Quelle anzulegen. Die Intermodulationsgenerierung hat im Vergleich zur Generierung von Oberwellen (Harmonischen) die günstige Eigenschaft, dass sie nur dort stattfindet, wo beide intermodulierenden Frequenzen vorhanden sind. Aus diesem Grund ermöglichen Intermodulationsverfahren einen Versuchsaufbau, bei dem beide Frequenzen nur bei einem bestimmten Bereich des Aufbaus vorhanden sind. Dazu erfolgt eingangsseitig eine getrennte Einleitung und ausgangsseitig eine frühestmögliche Trennung des Intermodulationssignals von den ursprünglichen Frequenzen. Darüber hinaus kann metallische Kontaktierung mit dem Material, das einem Feld ausgesetzt werden soll, das Problem mit sich bringen, selbst eine Intermodulation zu verursachen. Die Zuführung erfolgt daher vorzugsweise berührungslos. Um hohe elektrische Felder zu erhalten, können zylindrische dielektrische Resonatoren verwendet werden und in einem zylindrischen Hohlleiter platziert werden. Der Hohlleiter kann unterhalb der Grenzfrequenz betrieben werden, so dass keine propagierenden Wellen entstehen können und die Felder (nur) in den dielektrischen Resonatoren konzentriert sind. Insbesondere können drei solcher Resonatoren der gleichen Resonanzfrequenz gekoppelt werden. Sie können drei verschiedene Resonanzfrequenzen aufweisen, welche folgende Intermodulationsbeziehung erfüllen:
Wenn ein Intermodulationssignal in der Anordnung erzeugt wird kann dieses daher insbesondere in der dritten Mode gespeichert werden und dabei seine Amplitude durch den Q-Faktor der Resonatoren erhöhen. Dies erhöht die Empfindlichkeit des Aufbaus gegenüber kleinen Intermodulationssignalen. Getrennter Eingang und isolierte dielektrische Resonatoren, die auf die Eingangsfrequenzen abgestimmt sind, können sicherstellen, dass das Signal vom anderen Eingang nicht in das Eingangssystem der ersten Frequenz gelangt und dass keine Intermodulation vor dem Eingang erfolgt. Der Ausschluss von Intermodulation nach dem Ausgang kann dadurch erzielt werden, dass eine Erfassung im Bereich des zentrales Resonators erfolgt, wo die zweite Mode einen Knoten aufweist. So kann die Erfassung beschränkt werden auf ω1 und ω3 am Ort des zentralen Resonators, um weitere Intermodulationsgenerierung von ω3 nach dem Ausgang zu verhindern. Mit einem vergleichbaren Aufbau entwarfen Nishikawa et. al. Sinterkeramiken mit niedriger Nichtlinearität (Youhei Ishikawa, Hiroshi Tamura, Toshio Nishikawa, Kikuo Wakino: Extremely low distortion dielectric ceramics, Ferroelectrics 135:1, 371-383, 1992).If an intermodulation signal is generated in the arrangement, it can therefore be stored in particular in the third mode and thereby increase its amplitude by the Q factor of the resonators. This increases the sensitivity of the setup to small intermodulation signals. Separate input and isolated dielectric resonators tuned to the input frequencies can ensure that the signal from the other input does not enter the first frequency input system and that there is no intermodulation before the input. The exclusion of intermodulation after the output can be achieved by detecting in the area of the central resonator, where the second mode has a node. The detection can thus be limited to ω 1 and ω 3 at the location of the central resonator in order to prevent further intermodulation generation of ω 3 after the output. With a comparable structure, Nishikawa et. al. Sintered ceramics with low non-linearity (Youhei Ishikawa, Hiroshi Tamura, Toshio Nishikawa, Kikuo Wakino: Extremely low distortion dielectric ceramics, Ferroelectrics 135: 1, 371-383, 1992).
Wenn diese dielektrischen Resonatoren in einem Cut-Off-Wellenleiter platziert werden, ist die Messmethode allerdings begrenzt auf Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante (z.B. εr > 20), da Resonatoren aus Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante (z.B. εr < 10) nicht in den Cut-Off-Wellenleiter passen würden. Die Verteilung der Intermodulationserzeugung ist jedoch stark in der Mitte einer Scheibe konzentriert, da sie proportional zur sechsten Potenz des elektrischen Feldes ist: E6(x). Die Konzentration erfolgt in radialer Richtung und Längsrichtung.If these dielectric resonators are placed in a cut-off waveguide, the measurement method is limited to materials with a high dielectric constant (eg ε r > 20), because Resonators made of materials with a high dielectric constant (eg ε r <10) would not fit in the cut-off waveguide. However, the distribution of the intermodulation generation is strongly concentrated in the middle of a disk, since it is proportional to the sixth power of the electric field: E 6 (x). The concentration takes place in the radial and longitudinal directions.
Durch Einfügen einer dünnen Scheibe aus einem niedrigen εr-Material in dieser Konzentration kann das Verhalten in Bezug auf die Erzeugung von Intermodulationen stark verändern, nicht aber die anderen relevanten Eigenschaften der Resonanz, wie Frequenz und Q-Faktor, da sie nur von der zweiten Potenz des elektrischen Feldes abhängen. Die Konzentration in radialer Richtung kann genutzt werden, indem ein dünnes Rohr aus dem Material mit hohem εr ausgelassen wird und durch ein Material niedrigem εr ersetzt wird. Die Konzentration in Längsrichtung ermöglicht gegenüber eine in der Regel einfachere Handhabung, da hier eine dünne Scheibe in der Mitte der Länge des Resonators eingefügt werden kann, was in der Herstellung gegenüber einem dünnen Hohlrohr in der Regel einfacher ist.By inserting a thin disk made of a low ε r material in this concentration, the behavior in relation to the generation of intermodulations can change significantly, but not the other relevant properties of the resonance, such as frequency and Q factor, since they only differ from the second Depend on the power of the electric field. The concentration in the radial direction can be used by omitting a thin tube from the material with a high ε r and replacing it with a material with a low ε r . Concentration in the longitudinal direction enables a generally simpler handling, since a thin disk can be inserted in the middle of the length of the resonator, which is generally easier to manufacture than a thin hollow tube.
Die Randbedingungen des niedrigen εr führen nicht zu einer Diskontinuität im elektrischen Feld in der Scheibe, da das elektrische Feld der TE01δ-Mode, eine transversale elektrische Mode, keine senkrechte Komponente an der Oberfläche aufweist, sondern nur eine parallele Komponente, die ein kontinuierliches Verhalten an dielektrischen Oberflächen zeigt. Das elektrische Feld fällt jedoch innerhalb der Scheibe ab. Dadurch kann die Dicke der einzuführenden Scheibe begrenzt sein bzw. eine optimale Scheibendicke entstehen.The boundary conditions of the low ε r do not lead to a discontinuity in the electrical field in the pane, since the electrical field of the TE 01δ mode, a transverse electrical mode, does not have a vertical component on the surface, but only a parallel component that is continuous Behavior on dielectric surfaces shows. However, the electric field drops within the disc. As a result, the thickness of the pane to be inserted can be limited or an optimal pane thickness can arise.
Die Anordnung ermöglicht es insbesondere, die relative Amplitude der ersten und dritten Mode zu messen. Das Verhältnis der Energien lässt sich wie folgt angeben:
Hierin ist εr die relative ortsabhängige Dielektrizitätskonstante und α = α3 die ortsabhängige Nichtlinearität dritter Ordnung, welche somit aus der Gleichung bestimmt werden kann. Die Gleichung bestimmt die Grenze der Empfindlichkeit zur Messung der Nichtlinearität des niedrigen εr-Materials in der Scheibe im Vergleich zum umgebenden hohen εr-Material. Für ein Material εr = 3 beträgt das Verhältnis der relativen Dielektrizitätskonstante etwa 0,1 für ein Resonatormaterial mit εr = 32. Die Feldverteilungen können mit einer Computersimulationssoftware berechnet werden.Herein ε r is the relative location-dependent dielectric constant and α = α 3 is the location-dependent non-linearity of the third order, which can thus be determined from the equation. The equation determines the limit of sensitivity for measuring the nonlinearity of the low ε r material in the disk compared to the surrounding high ε r material. For a material ε r = 3, the ratio of the relative dielectric constant is approximately 0.1 for a resonator material with ε r = 32. The field distributions can be calculated using computer simulation software.
Das Verhältnis der sechsten Potenz der Feldverteilung für eine Scheibe von 12 mm Dicke zwischen zwei Resonatoren von je 12 mm beträgt wiederum etwa 0,3. Daher wird es möglich, Nichtlinearitäten von Materialien mit niedrigem εr mit einer 30-fach höheren Empfindlichkeit gegenüber der Nichtlinearität dem hohen εr-Material zu messen.The ratio of the sixth power of the field distribution for a 12 mm thick disk between two 12 mm resonators is again about 0.3. Therefore, it becomes possible to measure nonlinearities of materials with a low ε r with a 30 times higher sensitivity to the nonlinearity of the high ε r material.
Die Nichtlinearität des hohen εr-Materials kann ohne Verwendung der Scheibenmethode, sondern mit Resonatoren aus einem Material durchgeführt werden, wie von Nishikawa et al. beschrieben. Bei etwas höherem εr = 5 kann es möglich werden, eine 20-fache Empfindlichkeit gegenüber der Nichtlinearität des hohen εr-Materials zu erreichen. Da die Nichtlinearität für verschiedene Materialien über mehrere Größenordnungen variieren kann, ist diese Grenze der Empfindlichkeit für die Prüfung vieler Materialien ausreichend. Unter Verwendung der Glaskeramik wie in der von Florian Bergmann verfassten Masterarbeit (2018, Florian Bergmann, „Measuring extremely small nonlinear electric responses in glasses and glass ceramics“, SCHOTT AG), die eine kubische Nichtlinearität von (2±2) 10-16 m2/V2 aufweisen, ergibt sich aus der 30-fach niedrigeren Empfindlichkeit eine Empfindlichkeit von etwa 10-14 m2/V2.The nonlinearity of the high ε r material can be carried out without using the disk method, but with resonators made of one material, as described by Nishikawa et al. described. With a slightly higher ε r = 5 it can be possible to achieve a 20-fold sensitivity to the non-linearity of the high ε r material. Since the non-linearity for different materials can vary over several orders of magnitude, this limit of sensitivity is sufficient for testing many materials. Using glass ceramics as in the master thesis written by Florian Bergmann (2018, Florian Bergmann, "Measuring extremely small nonlinear electric responses in glasses and glass ceramics", SCHOTT AG), which has a cubic nonlinearity of (2 ± 2) 10 -16 m 2 / V 2 , the sensitivity 30 times lower results in a sensitivity of about 10 -14 m 2 / V 2 .
Um auch Scheibenmaterial messen zu können das nicht perfekt ist, also Dickenschwankungen (TTV=total thickness variations) im Bereich von bis zu 0,5mm oder Verwölbungen (warp) bis zu 2mm enthält, was bei vielen Kunststoffsubstraten der Fall ist, ist es vorteilhaft einen festen Abstandshalter zwischen den beiden Resonatorplatten mit hohem εr zu machen, der beispielsweise durch ein Glasröhrchen im Zentrum der Scheiben gebildet sein kann. Es kann demnach vorgesehen sein, dass die umgebenden Scheiben voneinander durch einen Abstandshalter (welcher insbesondere nicht die mittlere Scheibe ist) in einem definierten Abstand zueinander gehalten werden und die mittlere Scheibe sich zwischen den durch den Abstandshalter voneinander beabstandeten umgebenden Scheiben befindet. Der Abstandhalter kann sich bei drei axial benachbarten Scheiben insbesondere im Zentrum der Scheiben befinden. Außerdem kann der Abstandshalter vorzugsweise rohrförmig ausgebildet sein, beispielweise als ein Glasröhrchen. Auf diese Weise kann auch bei realen Substratmaterialien, die TTV und/oder Warp zeigen, exakt genug die Frequenz getroffen werden.In order to be able to measure disc material which is not perfect, i.e. contains thickness variations (TTV = total thickness variations) in the range of up to 0.5mm or warping up to 2mm, which is the case with many plastic substrates, it is advantageous to use one to make fixed spacers between the two resonator plates with high ε r , which can be formed for example by a glass tube in the center of the panes. It can accordingly be provided that the surrounding disks are held at a defined distance from one another by a spacer (which is in particular not the middle disk) and the middle disk is located between the surrounding disks spaced apart by the spacer. With three axially adjacent disks, the spacer can be located in particular in the center of the disks. In addition, the spacer can preferably be tubular, for example as a glass tube. In this way, the frequency can be hit precisely enough with real substrate materials that show TTV and / or warp.
Zusammenfassend wird demnach ermöglicht, kleinste Nichtlinearitäten, insbesondere bis zu einer Größe von α = 10-14 m2/V2 auf Materialbasis zu quantifizieren. Mit einem Resonatoraufbau können die Nichtlinearitäten von Materialien mit Dielektrizitätskonstanten z.B. bis εr = 3 bestimmt werden. Dazu sind dünne Schichten eines Materials sind zwischen zwei dicken Platten aus einem Material mit hohem εr eingebracht, was eine hohe Feldkonzentration in der Materialschicht ermöglicht und die Möglichkeit bietet, Resonatoren geeigneter Größe für dein Einsatz in einem Cut-Off-Wellenleiter zu konstruieren. Charakterisierte Nichtlinearitäten können in der Simulationssoftware berücksichtigt werden und ermöglichen PIM-Vorhersagen vor dem Aufbau eines Gesamtsystems.In summary, it is thus possible to quantify the smallest nonlinearities, in particular up to a size of α = 10 -14 m 2 / V 2, on a material basis. With a resonator structure, the non-linearities of materials with dielectric constants, for example up to ε r = 3, can be determined. For this purpose, thin layers of a material are inserted between two thick plates made of a material with a high ε r , which enables a high field concentration in the material layer and offers the possibility of constructing resonators of a suitable size for use in a cut-off waveguide. Characterized non-linearities can be taken into account in the simulation software and enable PIM predictions before the construction of an overall system.
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