← Tilbage til Process Measurement & Instrumentation kategori

RF- og mikrobølgematerialemålinger: Teknikker og applikationer

â € <Hvordan kan vi differentiere kræft fra ikke-cancerøse celletyper? Hvad er forplantningstiden for et signal inden for et filter?

Hvad er en afskærmnings effektivitet af en komponent?

Hvad er den relative permittivitet af et microstrip substrat?

Hvad er resultatet af en Radar absorber?

Hvad alle disse spørgsmål har til fælles er behovet for at kvantitativt karakterisere materialegenskaber ved RF- og mikrobølgefrekvenser.

Af Enrico Brinciotti, ph.d., forretningsudviklingsingeniør, Anritsu - EMEA Region

BTY

Lignende spørgsmål, der kommer fra forskellige applikationer, har skabt en løbende efterspørgsel til præcist at måle dielektriske og magnetiske egenskaber af materialer.

I dette scenario repræsenterer Vector Network Analyzer (VNA) et værktøj, der muliggør hurtige, præcise, ofte ikke-destruktive og til tider lige kontaktløse målinger af Material Under Test (MUT). Gennem årene er der udviklet adskillige metoder til at karakterisere de dielektriske egenskaber af materialer.

Disse teknikker indbefatter open-ended koaksial probe metoder, fri-rum teknikker, resonatorer og transmissions-line metoder.

Hver teknik har sit eget anvendelsesområde afhængigt af flere faktorer, såsom interessefrekvens, krævet målingsnøjagtighed, isotrop og homogenitetsegenskaber, form (dvs. pulver, flydende, faststof), størrelse, krav med hensyn til ikke-destruktiv eller kontaktfri test og temperaturområde. Denne artikel præsenterer et overblik over de forskellige VNA-baserede teknikker, sammen med nogle egentlige eksempler på nye applikationer.

Dielektriske egenskaber af materialer

Materialer kan grupperes i isolatorer (dvs. dielektrikum), ledere og halvledere. Når et dielektrisk materiale udsættes for et eksternt elektrisk felt, vil det blive polariseret. Mængden af ​​elektromagnetisk energi, som et materiale opbevarer og spredes, måles ved dets dielektriske og magnetiske egenskaber, nemlig elektrisk permittivitet og magnetisk permeabilitet. Begge er komplekse mængder.

Den reelle del af permittiviteten betegnes ofte som dielektrisk konstant. Materialer kan opdeles i dispergerende og ikke-spredende, afhængigt af om deres permittivitet ændrer sig som en funktion af frekvens eller ej. For spredningsmaterialer er det nødvendigt at kvantificere deres frekvensadfærd. Følgelig måles permittiviteten typisk som en funktion af frekvensen. Den komplekse relative permittivitet, εr, defineres som

Hvor σ = ωε '' er den elektriske ledningsevne (S / m), j = √-1 er den imaginære enhed, og ω = 2πf er vinkelfrekvensen (rad / s). Den komplekse permittivitet εr består af en reel del og en imaginær del.

Den virkelige del ε' måler mængden af ​​energi, der er lagret i materialet, den imaginære del ε '', også kendt som tabsfaktor, måler mængden af ​​energitab fra materialet. Forholdet mellem den imaginære del og den reelle del af den komplekse permittivitet defineres som tab tangent (dissipationsfaktor eller tabsfaktor)

Det måler den iboende udledning af elektromagnetisk energi ved Material Under Test (MUT).

VNA-baserede materialer målemetoder

Der eksisterer adskillige VNA-baserede metoder, der tillader målematerialers elektriske egenskaber, nemlig elektrisk permittivitetε og magnetisk permeabilitet µ, fra få kHz op til THz. Fra komplekse S-parametre målinger, den virkelige og imaginære del afε og µ kan opnås samtidigt.

Fire fremgangsmåder kan identificeres: Koaxial-probe-metoder med åbne koder, transmissionslinjemetoder, frie rumteknikker og resonatorer. De dielektriske egenskaber af MUT afhænger af frekvens, anisotropi, homogenitet, temperatur og andre parametre. Derfor er der ikke sådan noget som den bedste teknik til præcist at måle alle materialers dielektriske egenskaber ved alle frekvenser og temperaturer.

Den bedste metode til at vælge vil afhænge af: frekvens, temperatur, tabregulering, MUT-form (pulver, faststof, flydende osv.), Størrelse (tynd film, stort panel osv.) Testbehov uden destruktionsevne og mulighed for kontakt med MUT eller ej. Det følgende er et overblik over de fire mest anvendte metoder til at sonde materialegenskaber ved RF- og mikrobølgefrekvenser.

Koaksial probe med åben ende

En koaksial probe med åben end bruges til at måle lossy materialer ved høje frekvenser over et bredt frekvensområde fra 0.5 GHz til 110 GHz. Dielektriske egenskaber ekstraheres fra 1-port refleksionsmålinger gennem en metal probe trykket mod MUT.

Et kalibreringstrin anvendes til at referere det målte reflekterede signal ved probens blændeplan. Flade faste stoffer og væsker er velegnede prøver til denne teknik. For materialer med lav permittivitet introducerer metoden nogle usikkerheder og afbøjninger.

RF- og mikrobølgematerialemålinger

Figur 1. Open-end koaksial sonde metode. (a) Skitse af sonden med E-felt linjer ved proben / MUT interface. b) Anvendelse af metoden ved mm-bølgefrekvenser ved brug af Anritsu 3743A mm-Wave-moduler og med et koaksialkabel og zoom af 1.85 mm (70 GHz) og 1 mm (125 GHz) stik.

Transmission-line metode

I transmissionslinjemetoden er MUT placeret inde i en transmissionslinie (dvs. bølgeleder eller koaksial). Permitivitet og permeabilitet udvindes fra transmissions- og refleksions S-parametre målinger.

Metoden er anvendelig for både faste stoffer og væsker, og har højere nøjagtighed og følsomhed end den åbne ende-koaksial sonde teknik. Fejlfrekvenser er <5% for permittiviteten og permeabiliteten, og i tilstrækkeligt høje niveauer <10% for tabtangenten. Opløsningen af ​​tabtangenten er ± 0.01; Derfor er materialer, der har tanδ <0.01, ikke karakteriserbare.

RF- og mikrobølgematerialemålinger

Figur 2. Transmissionslinje opsætning til materialer målinger. Opsætningen består af en Anritsu VectorStar ME7838E VNA med 70 kHz til 110 GHz (1 mm koaksial udgang) fuld fejefunktion og et sæt bølgelederkomponenter, der dækker wideband-området. Nederst vises en zoom på en WR-19-bølgeledertransmissionslinie, hvor MUT'en er placeret ved det centrale knudepunkt.

Free-space opsætninger

I opsætninger på fri plads beregnes S-parametrene mellem to antenner med prøven anbragt i synsfeltet. Fra analysen af ​​de reflekterede og overførte dele af en EM-bølge, der formerer sig fra fritrum til prøven, kan de dielektriske egenskaber af MUT'en ekstraheres. Det transmitterende horn udstråler en kollimeret Gaussisk stråle via dielektriske linser, hvilket begrænser diffraktionsbidrag fra MUT-kanterne.

Fælles fejlkilder er probe / prøveforskydninger samt diffraktionseffekter. Præcise linser fremstilles og justeres for at begrænse bølgefrontafvigelser og multiple refleksioner. Derfor er opsætninger i fri rum, især for bredbåndsapplikationer, ret dyre. Netto præcisioner og tabsopløsninger svarer til dem, der er rapporteret til transmissionslinjemetoden.

RF- og mikrobølgematerialemålinger

Free-Space opsætning til E-Band materiale målinger

Figur 3. Free-Space opsætning til E-Band materiale målinger fra et projekt med Fraunhofer FHR, RWTH Aachen IHF og Anritsu. Opsætningen består af en Anritsu Shockline MS46522B-082 VNA med små tethered source / receiver moduler og et base chassis. Fjernmodulerne har indbygget WR-12 waveguide-grænseflade og er koblet til hornantenner og et specialdesignet linse system. De tre trin i en TRM-kalibrering vises sammen med den faktiske måling af MUT. Videoen nedenfor viser en demonstration af dette:

resonatorer

Resonante metoder muliggør udvinding af dielektriske egenskaber ved en enkelt frekvens eller ved et sæt diskrete frekvenser. Dette gør det muligt at opnå højere nøjagtighed - f.eks. 4-tal i permittivitet og tabtangent - og følsomhed i forhold til de tidligere beskrevne metoder.

MUT'en er anbragt inde i et resonanshulrum med kendt resonansfrekvens og kvalitetsfaktor. Ændringen i sidstnævnte mængder indført af MUT måles således, og permittiviteten og permeabiliteten bestemmes. Fejl er <1% for permittiviteten og 0.3% for tabtangenten. En sådan høj nøjagtighed mislykkes for materialer med højtab, fordi resonanttoppen udvides, da tabet stiger.

RF- og mikrobølgematerialemålinger

Figur 4. Cavity resonator opsætning til materialer målinger. (a) Skitse af prøveholderens trin, der viser de dielektriske understøtninger og resonatorer, prøveplanet (rødt) og koblingssløjferne. (b) og (c) viser faktiske kavitetsresonatorer.

Sammenligning af forskellige metoder

Hver metode har sit eget anvendelsesområde, og det bedste valg afhænger af: frekvensinterval af interesse, nødvendig målingsnøjagtighed, isotrop og homogenitetsegenskaber, form (dvs. pulver, væske, faststof), størrelse, krav med hensyn til ikke-destruktiv eller kontaktløs test og temperaturområde. Tabellen nedenfor opsummerer fordele, anvendelsesområder og begrænsninger af hver teknik.

RF- og mikrobølgematerialemålinger

konklusioner

Brugen af ​​VNA som et fleksibelt og alsidigt værktøj til præcist og kvantitativt at karakterisere materialegenskaber, såsom elektrisk permittivitet og magnetisk permeabilitet, fra få kHz op til THz-området, er blevet diskuteret. Forskellige metoder er blevet fremlagt for at udtrække permittiviteten og permeabiliteten af ​​MUT fra enten 2-porte eller 1-port S-parametre målinger.

Den type MUT, som kan karakteriseres ved hjælp af et VNA, spænder fra biologisk materiale og væsker til faste stoffer og pulvere, hvilket fremhæver VNA's brede anvendelighed som et værktøj til at karakterisere materialegenskaber ved høje frekvenser.

Process Industry Informer

Relaterede nyheder

Giv en kommentar

Din e-mail-adresse vil ikke blive offentliggjort. Krævede felter er markeret *

Dette websted bruger Akismet til at reducere spam. Lær, hvordan dine kommentardata behandles.