Verfahren zur Charakterisierung und elektromagnetische Modellierung poröser und dichter Dielektrika bis 110 GHz

Commercial radar and communication systems are experiencing rapid change today due to ever-increasing system requirements. From a technological point of view, this leads to the use of ever larger frequency ranges. Since the interaction between emitted electromagnetic waves of these systems with matter depends on certain material parameters and the frequency, new methods have to be developed that can describe such relationships. This thesis deals with the topics of characterization as well as the electromagnetic modeling of porous dielectrics, dense dielectrics and conductor structures for microwave applications from a few GHz to 110 GHz. Since the calculation of electromagnetic interactions with real matter would lead to non-solvable equation systems in 3D field simulators, simplifications must be established which are both optimized for a short computation time as well as provide a high accuracy of the simulation results. Therefore, in the case of both dielectrics and metallic conductors, various criteria must be applied during the modeling in order to correctly describe the electric field distribution or the current distribution, depending on the type of material. In this thesis, new methods are presented that allow electromagnetic modeling of porous and dense dielectrics. In addition, metallic conductors have a strong, geometry-related dependency of the functionality in microwave applications. As a result of the skin effect, the conductor surfaces take an increasing influence on absorption and dispersion with the frequency, whose effect is also presented and considered in the simulation. With use of these modeling regulations, new measuring systems and measurement methods are presented which allow a characterization of the complex permittivity up to 110 GHz of dense and porous dielectrics. Both resonator-based and broadband measurement systems are presented and compared with the current state of the art. By means of dual evaluation methods from high-frequency measurement technology and realistic 3D full-wave simulation, the accuracy as well as the application range of different methods can be improved and expanded. The results of the presented possibilities of the material characterization are essential for the creation of new high-frequency circuits and systems, and contribute in the basic research to the understanding of the interaction of high-frequency electromagnetic waves with new materials.Kommerzielle Radar- und Kommunikationssysteme erfahren heutzutage einen schnellen Wandel aufgrund immer größerer Anforderungen an die Systeme. Dies führt aus technologischer Sicht zu einer Verwendung immer größerer Frequenzbereiche. Da die Interaktion zwischen ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen dieser Systeme mit Materie von bestimmten Materialparametern und der Frequenz abhängt, müssen immer neue Methoden entwickelt werden, die solche Zusammenhänge beschreiben können. Diese Arbeit befasst sich mit den Thematiken der Charakterisierung, sowie der elektromagnetischen Modellierung poröser Dielektrika, dichter Dielektrika und Leiterstrukturen für Mikrowellen-Anwendungen von wenigen GHz bis 110 GHz. Da die Berechnung elektromagnetischer Wechselwirkungen mit realer Materie zu nicht-lösbaren Gleichungssystemen in 3D-Feldsimulatoren führen, müssen Vereinfachungen getroffen werden, welche sowohl auf eine kurze Rechenzeit optimiert werden, als auch eine hohe Genauigkeit der Simulationsergebnisse liefern. Im Rahmen der elektromagnetischen Modellierung müssen daher bei Dielektrika sowie bei metallischen Leitern verschiedene Kriterien bei der Modellierung angewendet werden, um je nach Materialtyp beispielsweise die elektrische Feldverteilung oder die Stromverteilung korrekt zu beschreiben. In dieser Arbeit werden neue Verfahren vorgestellt, welche elektromagnetische Modellierungen von porösen als auch von dichten Dielektrika ermöglichen. DesWeiteren weisen metallische Leiter bei Mikrowellenanwendungen eine starke, geometrie-bedingte Abhängigkeit der Funktionalität auf. Infolge des Skin-Effekts nehmen die Leiteroberflächen einen mit der Frequenz steigenden Einfluss auf Absorption und Dispersion, dessen Wirkungsweise und Berücksichtigung in der Simulation ebenfalls vorgestellt wird. Mit diesen Modellierungs-Vorschriften werden neue Messsysteme und Messmethoden vorgestellt, welche die Charakterisierung der komplexen Permittivität bis 110 GHz von dichten und porösen Dielektrika erlauben. Sowohl Resonator-basierte als auch Breitband-Messsysteme werden vorgestellt, und mit dem aktuellen Stand der Technik verglichen. Mittels dualer Auswerteverfahren aus Hochfrequenzmesstechnik und realitätsnaher 3D-Vollwellensimulation wird sowohl die Genauigkeit, als auch der Anwendungsbereich verschiedener Methoden verbessert und erweitert. Die Ergebnisse der vorgestellten Möglichkeiten der Materialcharakterisierung sind für die Erstellung neuer Hochfrequenzschaltungen und Systeme essenziell, und tragen in der Grundlagenforschung zum Verständnis der Wechselwirkung hochfrequenter elektromagnetischer Wellen mit neuen Materialien bei

Methods for the characterization and electromagnetic modeling of porous and dense dielectrics up to 110 GHz

Kommerzielle Radar- und Kommunikationssysteme erfahren heutzutage einen schnellen Wandel aufgrund immer größerer Anforderungen an die Systeme. Dies führt aus technologischer Sicht zu einer Verwendung immer größerer Frequenzbereiche. Da die Interaktion zwischen ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen dieser Systeme mit Materie von bestimmten Materialparametern und der Frequenz abhängt, müssen immer neue Methoden entwickelt werden, die solche Zusammenhänge beschreiben können. Diese Arbeit befasst sich mit den Thematiken der Charakterisierung, sowie der elektromagnetischen Modellierung poröser Dielektrika, dichter Dielektrika und Leiterstrukturen für Mikrowellen-Anwendungen von wenigen GHz bis 110 GHz. Da die Berechnung elektromagnetischer Wechselwirkungen mit realer Materie zu nicht-lösbaren Gleichungssystemen in 3D-Feldsimulatoren führen, müssen Vereinfachungen getroffen werden, welche sowohl auf eine kurze Rechenzeit optimiert werden, als auch eine hohe Genauigkeit der Simulationsergebnisse liefern. Im Rahmen der elektromagnetischen Modellierung müssen daher bei Dielektrika sowie bei metallischen Leitern verschiedene Kriterien bei der Modellierung angewendet werden, um je nach Materialtyp beispielsweise die elektrische Feldverteilung oder die Stromverteilung korrekt zu beschreiben. In dieser Arbeit werden neue Verfahren vorgestellt, welche elektromagnetische Modellierungen von porösen als auch von dichten Dielektrika ermöglichen. DesWeiteren weisen metallische Leiter bei Mikrowellenanwendungen eine starke, geometrie-bedingte Abhängigkeit der Funktionalität auf. Infolge des Skin-Effekts nehmen die Leiteroberflächen einen mit der Frequenz steigenden Einfluss auf Absorption und Dispersion, dessen Wirkungsweise und Berücksichtigung in der Simulation ebenfalls vorgestellt wird. Mit diesen Modellierungs-Vorschriften werden neue Messsysteme und Messmethoden vorgestellt, welche die Charakterisierung der komplexen Permittivität bis 110 GHz von dichten und porösen Dielektrika erlauben. Sowohl Resonator-basierte als auch Breitband-Messsysteme werden vorgestellt, und mit dem aktuellen Stand der Technik verglichen. Mittels dualer Auswerteverfahren aus Hochfrequenzmesstechnik und realitätsnaher 3D-Vollwellensimulation wird sowohl die Genauigkeit, als auch der Anwendungsbereich verschiedener Methoden verbessert und erweitert. Die Ergebnisse der vorgestellten Möglichkeiten der Materialcharakterisierung sind für die Erstellung neuer Hochfrequenzschaltungen und Systeme essenziell, und tragen in der Grundlagenforschung zum Verständnis der Wechselwirkung hochfrequenter elektromagnetischer Wellen mit neuen Materialien bei.Commercial radar and communication systems are experiencing rapid change today due to ever-increasing system requirements. From a technological point of view, this leads to the use of ever larger frequency ranges. Since the interaction between emitted electromagnetic waves of these systems with matter depends on certain material parameters and the frequency, new methods have to be developed that can describe such relationships. This thesis deals with the topics of characterization as well as the electromagnetic modeling of porous dielectrics, dense dielectrics and conductor structures for microwave applications from a few GHz to 110 GHz. Since the calculation of electromagnetic interactions with real matter would lead to non-solvable equation systems in 3D field simulators, simplifications must be established which are both optimized for a short computation time as well as provide a high accuracy of the simulation results. Therefore, in the case of both dielectrics and metallic conductors, various criteria must be applied during the modeling in order to correctly describe the electric field distribution or the current distribution, depending on the type of material. In this thesis, new methods are presented that allow electromagnetic modeling of porous and dense dielectrics. In addition, metallic conductors have a strong, geometry-related dependency of the functionality in microwave applications. As a result of the skin effect, the conductor surfaces take an increasing influence on absorption and dispersion with the frequency, whose effect is also presented and considered in the simulation. With use of these modeling regulations, new measuring systems and measurement methods are presented which allow a characterization of the complex permittivity up to 110 GHz of dense and porous dielectrics. Both resonator-based and broadband measurement systems are presented and compared with the current state of the art. By means of dual evaluation methods from high-frequency measurement technology and realistic 3D full-wave simulation, the accuracy as well as the application range of different methods can be improved and expanded. The results of the presented possibilities of the material characterization are essential for the creation of new high-frequency circuits and systems, and contribute in the basic research to the understanding of the interaction of high-frequency electromagnetic waves with new materials

An Accurate Free Space Method for Material Characterization in W- Band Using Material Samples with Two Different Thicknesses

This paper presents an accurate free space method for material characterization eliminating the problem of the required precise orientation between the material and the antennas and expanding the unambiguous range for electrical thick samples. It includes theoretical considerations and measurement results of four different materials. Overall, a maximum measurement uncertainty of 0.0153 for the relative permittivity and 0.001 for the loss tangent in the W-band can be achieved. Depending on the variation of the material's thickness, the implemented setup changes lead to an reduction of the measurement uncertainty of 8 to 58 %

Pulse plated silver metallization on porosified LTCC substrates for high frequency applications

Advanced high frequency systems such as needed in modern radar applications, require high conductive metallizations as well as substrates with areas of variable permittivity. This paper presents the combination of the selective porosification technology of low temperature co-fired ceramics (LTCC) and electro pulse plated silver microstrip lines. By means of selective plating methods, line widths of 20 μm can be manufactured featuring low resistivity values down to 2.33 μΩ cm, without detectable pore penetration. The substrate permittivity is measured facilitating a combined method of ring resonator detuning and 3D field simulations resulting in a reduction of 6.5% with a shift from approx. 7.52 to 7.03 at 66 GHz due to the porosification. As often outlined in literature, the major challenge in using silver as a conductor lies in its high tendency of agglomeration and microstructural transformation especially in oxygen containing atmosphere even at low temperatures. Therefore, the effect of different temperature loads up to 500°C on the dc film resistivity is measured using the van der Pauw technique and is compared to scanning electron microscope analyses

Electromagnetic analysis of conductor track surface roughnesses from 1 GHz to 110 GHz

Conductor tracks comprise a frequency dependent attenuation of electromagnetic waves, since with increasing frequency the current flow is displaced to the near surface region due to the skin effect. Therefore, the effective length of the conductor is increased by the surface roughness, while its effective cross-section is decreased by current displacement, both leading to higher metallization loss. In this paper, surface topographies of typical conductor materials were recorded by confocal microscopy and rebuilt as 3D CAD models. Subsequent electromagnetic simulations reveal the influence due to roughness on high frequency characteristics for physical vapor deposited, thick film and photochemically etched microstrips