Evaluating the Influence of Thin Film of Water on the Frequency Dependences of Transmission Line S-Parameters at Positive and Negative Temperatures

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Relevance. Provision of reliable and uninterrupted radio communication is critically important under changing climatic conditions of its operation. The combined effect of temperature and humidity can lead to changes in the electrical characteristics of transceiving devices and thereby disrupt the communication channel. In difficult climatic conditions of operation, due to constant temperature changes on the surface of the printed circuit boards, which are part of them, condensation can form, affecting the performance of the entire device. In this regard, the electrical characteristics change, which must be taken into account when designing critical REE. When designing transmission lines on printed circuit boards, it is reasonable to evaluate climatic impacts on it in a wide frequency range, which requires the development of new models and methods that allow taking into account these impacts.Goal of the work: to evaluate the influence of the temperature of a thin film of water on the surface of a microstrip transmission line on its frequency dependences of S-parameters. Finite element methods and laboratory experiment were used.Results. A methodology to account for the effects of ambient temperature and humidity on the electrical characteristics of a microstrip transmission line (MTL) is presented, which allows evaluating the variation of the S-parameters of the line over wide ranges of frequencies, air temperature and humidity, as well as the chemical composition of the environment. The S-parameters of water in a container placed inside a coaxial chamber are measured over the frequency and temperature ranges of 10 MHz to 12 GHz and minus 50 to 100℃, respectively. Using the presented model, the frequency dependences of the electrical conductivity of water at different temperatures are calculated. It is shown that at positive temperature, the electrical conductivity can reach 6.5 Sm/m and at negative temperature it can reach 1.3 Sm/m. Using the developed methodology, the influence of different water electrical conductivity on the S-parameters of MTLs is evaluated. The influence of water and ice layer thickness on the S-parameters of MTLs was shown. It is found that models describing the electrical conductivity of water have an excellent influence on the electrical parameters of the transmission line. Novelty. A method of accounting for the influence of ambient temperature and humidity on the S-parameters of the transmission line is presented, which is characterized by the use of a model of water conductivity based on insertion losses calculated from the measured S-parameters of a coaxial chamber with water in the container when its temperature is changed. Practical significance: a model and a methodology for taking into account the impact of temperature and humidity of the environment on the MTL characteristics are presented, allowing estimating the S-parameters of the line in a wide range of frequencies, air temperature and humidity, as well as the chemical composition of the environment.

About the authors

V. N. Neveznin

Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics

Email: vitalayzerman@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2257-7690
SPIN-code: 3418-7472

M. E. Komnatnov

Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics

Email: maxmek@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6463-2889
SPIN-code: 6187-9870

References

  1. Zhou Y., Lang R.H., Dinnat E.P., Le Vine David M. Seawater Debye Model Function at L-Band and its Impact on Salinity Retrieval from Aquarius Satellite Data // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2021. Vol. 59. Iss. 10. PP. 8103‒8116. doi: 10.1109/TGRS.2020.3045771
  2. Onibonoje M.O. A distributed control wireless system for environmental humidity determination based on adaptive controller model // Scientific African. 2021. Vol. 13. PP. 1‒8. doi: 10.1016/j.sciaf.2021.e00922
  3. Conseil-Gudla H., Staliulionis Z., Jellesen M.S., Jabbari M., Hattel J.H., Ambat R. Humidity Buildup in Electronic Enclosures Exposed to Constant Conditions // IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology. 2017. Vol. 7. Iss. 3. PP. 412‒423. doi: 10.1109/TCPMT.2017.2655447
  4. Ambat R., Conseil-Gudla H. Improving intrinsic corrosion reliability of printed circuit board assembly // Proceedings of the 18th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC, Singapore, 30 November ‒ 03 December 2016). IEEE, 2016. PP. 540‒544. doi: 10.1109/EPTC.2016.7861538
  5. Суппа М., Кузнецова Т. Методика исследования и испытаний влагозащитных покрытий, паяльных паст и технологических процессов // Технологии в электронной промышленности. 2014. № 7(75). С. 78‒82. EDN:SZSYXB
  6. Jacobsen J.B., Krog J.P., Rimestad L., Riis A., Holm A.H. Climatic challenges and product level solutions for electronics in demanding applications // IMAPS Nordic. 2012. Vol. 536. Iss. 6986. PP. 1‒8.
  7. Wang H., Liserre M., Blaabjerg F. Toward Reliable Power Electronics: Challenges, Design Tools, and Opportunities // IEEE Industrial Electronics Magazine. 2013. Vol. 7. Iss. 2. PP. 17‒26. doi: 10.1109/MIE.2013.2252958
  8. Artemov V. The Dielectric Properties and Dynamic Structure of Water and Ice // The Electrodynamics of Water and Ice. Springer Series in Chemical Physics. Cham: Springer, 2021. Vol. 124. PP. 131‒169. doi: 10.1007/978-3-030-72424-5_4
  9. Zhao L., Ma K., Yang Z. Changes of Water Hydrogen Bond Network with Different Externalities // International Journal of Molecular Sciences. 2015. Vol. 16. Iss. 4. PP. 8454‒8489. doi: 10.3390/ijms16048454
  10. Kozak R., Khorsand K., Zarifi T., Golovin K., Zarifi M.H. Patch antenna sensor for wireless ice and frost detection // Scientific Reports. 2021. Vol. 11. Iss. 1. PP. 1‒11. doi: 10.1038/s41598-021-93082-2
  11. Schoenlinner B., Steinmayer M., Schulte B. Cabin ceiling-integrated broadband antenna for wireless services in passenger aircraft // Proceedings of the 42nd European Microwave Conference (Amsterdam, Netherlands, 29 October ‒ 01 November 2012). IEEE, 2012. PP. 846‒849. doi: 10.23919/EuMC.2012.6459217
  12. Ley S., Schilling S., Fiser O., Vrba J., Sachs J., Helbig M. Ultra-wideband Temperature Dependent Dielectric Spectroscopy of Porcine Tissue and Blood in the Microwave Frequency Range // Sensors. 2019. Vol. 19. Iss. 7. PP. 1‒21. doi: 10.3390/s19071707
  13. Gregory A.P., Quéléver K., Allal D., Jawad O. Validation of a Broadband Tissue-Equivalent Liquid for SAR Measurement and Monitoring of its Dielectric Properties for Use in a Sealed Phantom // Sensors. 2020. Vol. 20. Iss. 10. PP. 1‒13. doi: 10.3390/s20102956
  14. Lun’kov A.E., Kovalev D.G. Dispersion of Water Conductivity in the Frequency Range of 104–106 Hz // Russian Journal of Electrochemistry. 2019. Vol. 55. PP. 1246‒1250. doi: 10.1134/S1023193519120103
  15. Zhuravlev V.A., Suslyaev V.I., Zhuravlev A.V., Korovin E.Yu. Analysis of Dielectric Spectra of Water with Conductive Impurities in a Wide Frequency Range // Russian Physics Journal. 2018. Vol. 60. PP. 1893‒1900. doi: 10.1007/s11182-018-1299-4
  16. Water Structure and Science. URL: https://water.lsbu.ac.uk/water/water_structure_science.html (Accessed 21.01.2024)
  17. Wilson P.F., Ma M.T., Adams J.W. Techniques for measuring the electromagnetic shielding effectiveness of materials. I. Far-field source simulation // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 1988. Vol. 30. Iss. 3. PP. 239‒250. doi: 10.1109/15.3302
  18. Wilson P.F., Ma M.T. A Study of Techniques for Measuring the Electromagnetic Shielding Effectiveness of Materials. NBS technical note № 1095. Washington: U.S. Government Printing Office, 1986. 66 p.
  19. Невежин В.Н., Бусыгина А.В., Комнатнов М.Е. Анализ электрических параметров жидкостей в коаксиальной камере при изменении температуры // Ural Radio Engineering Journal. 2023. Т. 7. № 1. С. 37–55. doi: 10.15826/urej.2023.7.1.003. EDN:UJYZTS
  20. Demakov A.V., Komnatnov M.E. Development of an improved coaxial cell for measuring the shielding effectiveness of materials // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 734. PP. 1‒6. doi: 10.1088/1757-899X/734/1/012077
  21. Database Summary // IT IS FOUNDATION. URL: https://itis.swiss/virtual-population/tissue-properties/database/database-summary (Accessed 21.01.2024)
  22. Vidjak K., Hessinger C., Cavagnaro M. Broadband Dielectric Spectroscopy with a Microwave Ablation Antenna // Sensors. 2023. Vol. 23. Iss. 5. PP. 1‒21. doi: 10.3390/s23052579

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».