Bachelor's Thesis

Printed Circuit Board Substrates Measurement and its Application for Measurement Calibrations

Final Thesis 4.45 MB Appendix 3.86 MB

Author of thesis: Bc. Vít Vašenka

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Tomáš Urbanec, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Jaroslav Láčík, Ph.D.

Abstract:

This bachelor thesis deals with the measurement of dielectric properties of printed circuit board substrates (relative permittivity and loss tangent) in the microwave frequency band. The aim is the design, realization, and experimental comparison of the resonance method and the two-line method. Microstrip resonators and test lines were designed and simulated in HFSS software and subsequently physically manufactured on five different dielectric materials. Data obtained from a vector network analyzer were evaluated using custom MATLAB scripts. The results confirm the high accuracy of the ring resonator for permittivity determination while highlighting the physical limits of both methods in measuring low losses due to impedance mismatch. The main practical output of the thesis is the design of a comprehensive laboratory exercise intended for teaching microwave measurement techniques.

Keywords:

Printed circuit boards, dielectric substrate, relative permittivity, loss tangent, microstrip resonator, two-line method, vector network analyzer.

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student prezentuje výsledky své bakalářské práce a následně odpovídá na dotazy komise. prof. Sobota: Jakým způsobem jste vypočítal relativní chybu měření? Student: Odpovídá správně. doc. Drexler: Čím je způsobeno zvlnění frek. závislostí permitivity a ztrátového činitele? Student: Odpovídá správně. prof. Sigmund: Byl použit pouze jeden vzorek FR4 nebo nebo jste použil více kusů? Student: Odpovídá správně.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Electronics and Communication Technologies (BPC-ECT)

Composition of Committee

prof. Ing. Milan Sigmund, CSc. (předseda)
Ing. Tomáš Urbanec, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Jiří Sobota, Dr. (člen)
doc. Ing. Petr Drexler, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Janošík (člen)

Supervisor’s report
Ing. Tomáš Urbanec, Ph.D.

Student si vybral bakalářskou práci na téma měření parametrů substrátů pro plošné spoje. Student nejprve prozkoumal metody měření vhodné pro pracovní kmitočty do 6GHz a navrhnul skupinu rezonátorů, jejichž parametry odsimuloval v ANSYS HFSS. Následně vypracoval teoretický základ pro výpočet parametrů substrátů z naměřených vlastností rezonátorů a vytvořil předlohy pro výrobu plošných spojů. Realizované motivy proměřil a z naměřených dat určil parametry substrátů, které byly k dispozici. Naměřené hodnoty relativní permitivity se blíží předpokladům podle parametrů výrobce. Při určování ztrátového činitele už tak úspěšný nebyl a použitý postup nedokázal rozlišit mezi nízkoztrátovými materiály a běžným substrátem FR4. Student na práci pracoval průběžně a samostatně, i tak mu bohužel ke konci došel čas a zpracování výsledků bylo poznamenáno spěchem. Samotný text problematiku popisuje adekvátně, v některých místech je ale méně přehledný a pro vysvětlení by byl vhodný názorný obrázek. U teoretických vztahů někde chybí citace jeho zdroje a je tak obtížnější kontrolovat jejich správnost. V práci chybí přehledné shrnutí metod formou grafické závislosti rezonančních kmitočtů rezonátorů v závislosti na materiálových vlastnostech. I tak považuji zadání práce za splněné a doporučuji ji k obhajobě. Points proposed by supervisor: 75

Grade proposed by supervisor: C

Student se v bakalářské práci zabývá problematikou měření vlastností substrátů pro desky plošných spojů (DPS). Získané poznatky pak využil pro vytvoření návodu laboratorní úlohy a vzorového protokolu.
Vlastní text práce je rozdělen do 4 hlavních kapitol. Po úvodu do problematiky student v první kapitole popisuje teorii měření vlastností substrátů pro DPS. Druhá kapitola pak rozebírá vysokofrekvenční a nízkrofrekveční metody měření. Myslím, že je škoda, že student tuto část neuzavřel kapitolou, kde by celkově shrnul vlastnosti představených metod měření a explicitně vybral ty, kterými se bude dále v práci zabývat. Třetí kapitola popisuje návrh mikropáskových rezonátorů a vedení pro vlastní měření. V kap. 3.1 postrádám obrázky navrhovaných struktur včetně vypočtených rozměrů (ty lze nalézt až v kap. 3.2.3). Úplně nerozumím proč student v kap. 3.1. používá název „rezonátor ve tvaru M“ a pak dále v textu „meandrový rezonátor“. V Obrázcích 6-8 není relevantní legenda, která by jasně odpovídala vypočteným činitelům odrazu a přenosu. Čtvrtá kapitola popisuje realizaci navržených obvodů a vedení, jejich měření a stanovení materiálových parametrů měřených substrátů. Zarážející je fakt, že student se nepozastavuje nad změřenými rozptylovými parametry, které často převyšují hodnotu 0 dB (viz Obrázky 13 až 15), což v případě pasivních komponent není fyzikálně možné. Navíc, student pro prezentaci činitelů přenosu a odrazu (např. S11 a S12) používá stejný typ čáry včetně barvy. Bohužel, student rovněž neřeší, že ztrátový činitel v Tabulce 5 nabývá záporné hodnoty. Celkové v této části práce bych očekával i hlubší diskuzi naměřených hodnot. Následující závěrečná kapitola shrnuje dosažené výsledky a pak student ve 3 přílohách dokládá další data k práci včetně návodu pro laboratorní úlohu a vzorového protokolu.
Bohužel, práce je celkově zpracována na nižší úrovni a obsahuje řadu chyb jak věcného tak formálního charakteru (např. nesprávné formátování použitých symbolů v textu, nepřesnou definici rozptylových parametrů na straně 14, některé kapitoly začínají tabulkou nebo obrázkem, rozmazané/těžko čitelné obrázky (např. Obrázek 1 a 6), nesprávná terminologie atd.). Myslím, že je škoda, že student práci nevypracoval s podstatně větší pečlivostí.
Zadání práce i přes uvedené výtky považuji za splněné a práci doporučuji k obhajobě. Topics for thesis defence:
  1. Proč změřené rozptylové parametry na některých frekvencích v Obrázcích 13 až 15 překračují hodnotu 0 dB?
Points proposed by reviewer: 62

Grade proposed by reviewer: D

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová