介电常数的精确测量推动射电望远镜接收器和下一代电信网络的发展

研究人员发明了一种测量绝缘体介电常数的新方法，测量精度比以前提高了100倍。这项技术预计将有助于射电望远镜敏感无线电接收器的高效开发，以及“超越5G/6G”的下一代通信网络设备的开发。

介电常数是指示当电压施加到绝缘体时绝缘体内部的电子如何反应的值。它是了解无线电波穿过绝缘体时的行为的重要参数。在电信设备的开发中，需要准确测定电路板以及建筑柱和墙所用材料的介电常数。对于射电天文学，研究人员还需要了解无线电接收器中使用的组件的介电常数。

通过设计电磁波传播的计算方法，研究小组开发了一种分析算法，可以直接而不是通过近似推导介电常数。该团队由来自国家天文台(NAOJ)和国家信息通信技术研究所(NICT)的研究人员和工程师组成，随后使用新方法测量了为阿塔卡马大型毫米波望远镜开发的接收器的透镜材料/亚毫米阵列(ALMA)并证实结果与其他方法一致，证明了其在实际设备开发中的有效性。

“新开发的方法预计不仅有助于射电望远镜组件的设计，而且有助于高频材料和器件的开发，以实现使用毫米波的下一代通信网络(超越5G/6G)/太赫兹频段”，NAOJ工程师、发表在IEEE太赫兹科学与技术汇刊上的研究论文的主要作者RyoSakai说道。

将近似产生的误差减少100倍可以加快开发过程。如果个别材料的介电常数测量不准确，实际制造的产品可能无法满足目标性能。如果从设计阶段就准确地知道介电常数，则可以减少不必要的试验和错误并降低成本。

传统上，有多种用于测量介电常数的方法。一种能够精确测量介电常数的方法是“谐振法”，但在这种情况下，待测量的材料必须放置在称为谐振器的装置中，这需要对材料进行精密加工，有时厚度还不到几百微米。另一个缺点是介电常数只能在几个特定频率下测量。

由于器件开发阶段需要测量各种材料的介电常数，如果每次测量都需要高精度处理，那么开发过程将需要很长的时间。另一方面，也使用了这些缺点较少的“自由空间法”，但在这种情况下，使用近似值来分析测量结果，由此产生的误差使得精确测量变得困难。

“与其他测量方法相比，自由空间方法对测量样品形状的限制较少，并且很容易扩展测量频带，”Sakai说。“新的分析方法与‘自由空间法’结合使用，这意味着通过新方法，我们可以在更少的约束下准确测量介电常数。”

NAOJ和NICT一直在毫米波和太赫兹波频率下联合研发高精度材料性能测量系统。该团队的目标是将天文仪器开发中获得的知识与开发通信技术中获得的知识相结合，进一步实现技术创新。