低损耗毫米波材料介电参数测量新方法研究

Low-loss dielectric materials have been widely used in 5G millimeter wave communication and detection systems. Their dielectric properties are crucial to ensure the RF performance (e.g. insertion loss, gain) of millimeter wave systems. Due to that the dielectric property undergoes a transition region from static permittivity to optical permittivity in the millimeter wave range, many influential factors are involved that a systematic investigation are needed. In addition, broadband measurement (26.5GHz-300GHz) of dielectric property with high precision is a challenge work to be addressed properly. This proposal aims to establish a new dielectric measurement method incorporating quasi-optical system and open resonator to realize broadband and high precision measurement of dielectric property. The main tasks include: theory of frequency variable open resonator; theory and implementation of broadband and accurate measurement system; dielectric property dependence on structure, frequency and temperature. The proposed method is beneficial to investigation of the interaction between millimeter wave and dielectrics, structure examination of a range of materials. Also, the significance can be seen for providing trustworthy parameters for millimeter components design.

低损耗材料在5G毫米波通信及探测系统中有广泛的应用，其介电特性是影响毫米波系统射频性能(如插损、增益)的主要因素之一。由于毫米波处于静态介电参数向光频介电参数过渡的频段，材料的介电特性比较复杂，低损材料介电参数的宽带、高精度测量十分困难，有待深入研究。本项目旨在研究低损耗毫米波材料介电参数的一体化测量新方法。该方法基于准光理论，将宽带测量和谐振测量融于同一系统。主要研究内容：可变频开放谐振腔理论；宽带测量模式及谐振测量模式一体化理论；低损耗材料的结构、频率及温度依赖特性。预期将解决可变频谐振及一体化系统的主要理论问题，突破低损耗材料在毫米波频段(26.5GHz-300GHz)的宽带、高精度一体化测量关键技术，为毫米波系统的精准设计提供可靠物理参数，也为研究毫米波与物质的相互作用的研究、材料内部结构的检测提供一种新的测量方法。

毫米波通常定义为26.5GHz-300GHz的频谱范围，具有广泛的应用场景。特别是近年来第5代移动通信技术(5G)的提出，促进了毫米波通信及相关支撑技术的快速发展。因此，针对毫米波通信的应用基础性研究就显得十分必要和紧迫。介质材料在毫米波通信系统中有着十分重要的应用。例如，作为微带天线、滤波器等微波与毫米波器件的基底，作为介质谐振天线的谐振主体，以及作为特殊涂层材料。对介电参数准确测量是精准设计毫米波通信及探测系统十分关键的一环; 在此基础上，进一步理解毫米波频段低损耗材料的介电特性又有利于高性能介质材料的制备。. 本项目在国家自然基金面上项目的资助下，开展的研究包括：(1)可变频开放谐振腔理论及技术研究；(2)宽带及低损耗测量一体化理论及技术研究；(3)低损耗材料的结构、温度及频率依赖性研究。. 产生了以下研究成果：(1)解决了宽带模式和谐振模式相统一的一体化理论问题，为宽度测量和高精度测量提供了理论依据和技术方案；(2)探索了低损耗毫米波材料的结构、频率及温度依赖特性问题，为材料的影响参数研究提供了技术参考。在研究过程中，与合作单位在IEEE Transaction系列期刊发表论文7篇，其他SCI期刊论文12篇，中文EI刊源论文1篇；申请并获授权专利8项，其中有两项专利成功实现成果转化；积极参加学术交流，在资助期间参与学术交流20多人次(特邀报告6次)；参加国家标准制定2项；团队建设初具规模，人才培养成效明显。. 以上研究成果的科学和技术意义主要体现在：(1)为毫米波频段介电特性的广泛研究提供一种新的测试方法；(2)实现在低损耗毫米波材料的介电参数的高精度测量；(3)为毫米波系统的设计提供可靠的物理参数。