Präzise Messung der Permittivität bringt Radioteleskopempfänger voran

Forschererfand eine neuartige Methode um die Permittivität von Isolatoren 100-mal genauer als bisher zu messen. Diese Technologie soll zur effizienten Entwicklung empfindlicher Funkempfänger für Radioteleskope sowie zur Entwicklung von Geräten für Kommunikationsnetze der nächsten Generation „Jenseits von 5G/6G“ beitragen.

Die Permittivität ist ein Wert, der angibt, wie Elektronen in einem Isolator reagieren, wenn eine Spannung an den Isolator angelegt wird. Es handelt sich um einen wichtigen Parameter zum Verständnis des Verhaltens von Radiowellen auf ihrem Weg durch Isolatoren. Bei der Entwicklung von Telekommunikationsgeräten ist es notwendig, die Permittivität von Materialien, die für Leiterplatten sowie Gebäudesäulen und -wände verwendet werden, genau zu bestimmen. Für die Radioastronomie müssen Forscher außerdem die Permittivität von Komponenten kennen, die in Radioempfängern verwendet werden.

Durch die Entwicklung einer Berechnungsmethode für die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen entwickelte das Forschungsteam einen analytischen Algorithmus, der die Permittivität direkt und nicht durch Näherung ableitet. Das Team, bestehend aus Forschern und Ingenieuren des National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) und des National Institute of Information and Communications Technology (NICT), verwendete dann die neue Methode, um das Linsenmaterial für einen Empfänger zu messen, der für den Atacama Large Millimeter entwickelt wird /submillimeter Array (ALMA) und bestätigte, dass die Ergebnisse mit anderen Methoden übereinstimmten, was seine Wirksamkeit in der tatsächlichen Geräteentwicklung demonstrierte.

„Die neu entwickelte Methode soll nicht nur zum Design von Radioteleskopkomponenten beitragen, sondern auch zur Entwicklung von Hochfrequenzmaterialien und -geräten für die Realisierung von Kommunikationsnetzen der nächsten Generation (über 5G/6G hinaus) unter Verwendung der Millimeterwelle.“ /Terahertz-Band“, sagt Ryo Sakai, Ingenieur am NAOJ und Hauptautor der kürzlich veröffentlichten Forschungsarbeit.

Die Reduzierung des Approximationsfehlers um den Faktor 100 beschleunigt den Entwicklungsprozess. Wenn die Permittivität einzelner Materialien ungenau gemessen wird, erreicht das tatsächlich hergestellte Produkt möglicherweise nicht die Zielleistung. Wenn die Permittivität bereits in der Entwurfsphase genau bekannt ist, können unnötige Versuche und Irrtümer reduziert und Kosten gesenkt werden.

Herkömmlicherweise gibt es mehrere Methoden zur Messung der Permittivität. Eine Methode zur genauen Messung der Permittivität ist die „Resonanzmethode“. In diesem Fall muss das zu messende Material jedoch in ein Gerät namens Resonator gegeben werden, was eine präzise Bearbeitung des Materials erfordert, das manchmal weniger als mehrere hundert Mikrometer dick ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Permittivität nur bei mehreren spezifischen Frequenzen gemessen werden kann. Da es notwendig ist, die Permittivität verschiedener Materialien während der Entwicklungsphase eines Geräts zu messen, wird der Entwicklungsprozess lange dauern, wenn für jede Messung eine hochpräzise Verarbeitung erforderlich ist. Andererseits wird auch die „Freiraummethode“ verwendet, die weniger dieser Nachteile aufweist. In diesem Fall wurde jedoch eine Näherung zur Analyse der Messergebnisse verwendet, und der dadurch verursachte Fehler erschwert eine genaue Messung .

„Im Vergleich zu anderen Messmethoden unterliegt die Freiraummethode weniger Einschränkungen hinsichtlich der Form der Messprobe und es ist einfach, das Messfrequenzband zu erweitern“, sagt Sakai. Die neue Analysemethode wird mit der „Freiraummethode“ verwendet, was bedeutet, dass wir mit der neuen Methode die Permittivität mit weniger Einschränkungen genau messen können.

NAOJ und NICT haben gemeinsam Forschung und Entwicklung für hochpräzise Systeme zur Messung von Materialeigenschaften bei Millimeterwellen- und Terahertzwellenfrequenzen durchgeführt. Das Team strebt weitere technologische Innovationen an, indem es die Erkenntnisse aus der Entwicklung astronomischer Instrumente mit denen aus der Entwicklung der Kommunikationstechnologie kombiniert.

– Diese Pressemitteilung wurde ursprünglich auf der Website der National Institutes of Natural Sciences veröffentlicht