← Zurück zu Process Measurement & Instrumentation Kategorie

HF- und Mikrowellenmaterialmessungen: Techniken und Anwendungen

Wie können wir krebsartige von nicht krebsartigen Zelltypen unterscheiden? Was ist die Laufzeit eines Signals innerhalb eines Filters?

Was ist die Abschirmwirkung einer Komponente?

Was ist die relative Permittivität eines Mikrostreifen-Substrats?

Was ist die Leistung eines Radarabsorbers?

Allen diesen Fragen ist gemeinsam, dass die Materialeigenschaften bei HF- und Mikrowellenfrequenzen quantitativ charakterisiert werden müssen.

Von Enrico Brinciotti, PhD, Business Development Engineer, Anritsu - EMEA-Region

bty

Ähnliche Fragen, die aus verschiedenen Anwendungen kommen, haben zu einer kontinuierlichen Anforderung geführt, die dielektrischen und magnetischen Eigenschaften von Materialien genau zu messen.

In diesem Szenario stellt der Vector Network Analyzer (VNA) ein Werkzeug dar, das schnelle, genaue, oft zerstörungsfreie und manchmal sogar kontaktlose Messungen des Material Under Test (MUT) ermöglicht. Im Laufe der Jahre wurden mehrere Verfahren entwickelt, um die dielektrischen Eigenschaften von Materialien zu charakterisieren.

Zu diesen Techniken gehören Koaxialsonden mit offenem Ende, Freiraumtechniken, Resonatoren und Übertragungsleitungsverfahren.

Jede Technik hat ihren eigenen Anwendungsbereich, abhängig von mehreren Faktoren, wie Häufigkeit von Interesse, erforderliche Messgenauigkeit, isotropen und Homogenitätseigenschaften, Form (dh Pulver, Flüssigkeit, Feststoff), Größe, Anforderungen in Bezug auf zerstörungsfrei oder berührungslos Prüfung und Temperaturbereich. Dieser Artikel bietet einen Überblick über die verschiedenen VNA-basierten Techniken sowie einige aktuelle Beispiele für neuartige Anwendungen.

Dielektrische Eigenschaften von Materialien

Materialien können in Isolatoren (dh Dielektrika), Leiter und Halbleiter gruppiert werden. Wenn ein dielektrisches Material einem äußeren elektrischen Feld ausgesetzt wird, wird es polarisiert. Die Menge an elektromagnetischer Energie, die ein Material speichert und abführt, wird anhand seiner dielektrischen und magnetischen Eigenschaften gemessen, nämlich der elektrischen Permittivität und der magnetischen Permeabilität. Beides sind komplexe Größen.

Der Realteil der Permittivität wird oft als Dielektrizitätskonstante bezeichnet. Materialien können in dispersiv und nicht dispersiv unterteilt werden, abhängig davon, ob sich ihre Permittivität als Funktion der Frequenz ändert oder nicht. Für dispersive Materialien ist es notwendig, ihr Frequenzverhalten zu quantifizieren. Dementsprechend wird die Permittivität typischerweise als Funktion der Frequenz gemessen. Die komplexe relative Permittivität εr, ist definiert als

Woher σ = ωε '' ist die elektrische Leitfähigkeit (S / m), j = √-1 ist die imaginäre Einheit und ω = 2πf ist die Winkelfrequenz (rad / s). Die komplexe Permittivität εr besteht aus einem Realteil und einem Imaginärteil.

Der echte Teil ε ' misst die im Material gespeicherte Energiemenge, den Imaginärteil ε ''Der sogenannte Verlustfaktor misst den Energieverlust des Materials. Das Verhältnis des Imaginärteils zum Realteil der komplexen Permittivität wird als Verlustfaktor (Verlustfaktor oder Verlustfaktor) definiert.

Es misst die inhärente Ableitung elektromagnetischer Energie durch das Material Under Test (MUT).

VNA-basierte Materialmesstechniken

Es gibt verschiedene VNA-basierte Verfahren, mit denen die elektrischen Eigenschaften von Materialien gemessen werden können, nämlich die elektrische Permittivitätε und magnetische Permeabilität µvon wenigen kHz bis zu THz. Von komplexen S-Parametern Messungen, dem Real- und Imaginärteil vonε und µ gleichzeitig erhalten werden.

Es können vier Ansätze identifiziert werden: Koaxialsonden mit offenem Ende, Übertragungsleitungsverfahren, Freiraumtechniken und Resonatoren. Die dielektrischen Eigenschaften des MUT hängen von der Frequenz, der Anisotropie, der Homogenität, der Temperatur und anderen Parametern ab. Dementsprechend gibt es keine beste Technik, um die dielektrischen Eigenschaften aller Materialien bei allen Frequenzen und Temperaturen genau zu messen.

Die beste zu wählende Methode hängt von der Häufigkeit, der Temperatur, dem Verlustregime, der MUT-Form (Pulver, Festkörper, Flüssigkeit usw.), der Größe (dünner Film, großer Bildschirm usw.), den Anforderungen an die zerstörungsfreie Prüfung und der Möglichkeit ab Kontakt mit der MUT oder nicht. Es folgt ein Überblick über die vier am häufigsten verwendeten Methoden zur Untersuchung von Materialeigenschaften bei HF- und Mikrowellenfrequenzen.

Koaxialsonde mit offenem Ende

Eine offene Koaxialsonde wird verwendet, um verlustbehaftete Materialien bei hohen Frequenzen über einen breiten Frequenzbereich von 0.5 GHz bis 110 GHz zu messen. Die dielektrischen Eigenschaften werden aus den 1-Port-Reflexionsmessungen durch eine metallische Sonde extrahiert, die gegen die MUT gedrückt wird.

Ein Kalibrierungsschritt wird verwendet, um das gemessene reflektierte Signal auf die Öffnungsebene der Sonde zu referenzieren. Flache Feststoffe und Flüssigkeiten sind gut geeignete Proben für diese Technik. Bei Materialien mit niedriger Permittivität führt das Verfahren zu einigen Unsicherheiten und Durchbiegungen.

HF- und Mikrowellenmaterialmessungen

Abbildung 1. Methode der offenen koaxialen Sonde. (a) Skizze der Sonde mit E-Feldlinien an der Sonde / MUT-Schnittstelle. (b) Anwendung des Verfahrens bei mm-Wave-Frequenzen unter Verwendung von Anritsu 3743A mm-Wave-Modulen und mit einem Koaxialkabel und Zoomen der Anschlüsse 1.85 mm (70 GHz) und 1 mm (125 GHz).

Übertragungsleitungsmethode

Bei dem Übertragungsleitungsverfahren wird die MUT innerhalb einer Übertragungsleitung (dh Wellenleiter oder koaxial) platziert. Permittivität und Permeabilität werden aus Transmissions- und Reflexions-S-Parametermessungen extrahiert.

Das Verfahren ist sowohl auf Feststoffe als auch auf Flüssigkeiten anwendbar und hat eine höhere Genauigkeit und Empfindlichkeit als die offene Koaxialsondenmethode. Die Fehlerraten betragen <5% für die Permittivität und Permeabilität und bei ausreichend hohen Verlustniveaus <10% für den Verlustfaktor. Die Auflösung des Verlust-Tangens beträgt ± 0.01; Dementsprechend sind Materialien mit tanδ <0.01 nicht charakterisierbar.

HF- und Mikrowellenmaterialmessungen

Abbildung 2. Übertragungsleitungsaufbau für Materialmessungen. Das Setup besteht aus einem Anritsu VectorStar ME7838E-VNA mit voller Wobbelfähigkeit von 70 kHz bis 110 GHz (1 mm Koaxialausgang) und einem Satz Wellenleiterkomponenten, die den Breitbandbereich abdecken. Unten ist ein Zoom einer WR-19-Wellenleiter-Übertragungsleitung dargestellt, wobei sich die MUT am zentralen Knotenpunkt befindet.

Freiraum-Setups

In Freiraum-Setups werden die S-Parameter zwischen zwei Antennen berechnet, wobei sich die Probe in der Sichtlinie befindet. Aus der Analyse der reflektierten und übertragenen Teile einer EM-Welle, die sich aus dem freien Raum in die Probe ausbreitet, können die dielektrischen Eigenschaften der MUT extrahiert werden. Das sendende Horn strahlt über dielektrische Linsen einen kollimierten Gaußschen Strahl aus, wodurch die Beugungsbeiträge der MUT-Kanten begrenzt werden.

Häufige Fehlerquellen sind Fehlausrichtungen der Sonde / Probe sowie Beugungseffekte. Eine präzise Herstellung und Ausrichtung der Linsen ist erforderlich, um Wellenfrontaberrationen und Mehrfachreflexionen zu begrenzen. Dementsprechend sind Freiraum-Setups, insbesondere für Breitbandanwendungen, ziemlich teuer. Die Nettogenauigkeiten und Verlustauflösungen entsprechen denen, die für das Übertragungsleitungsverfahren angegeben wurden.

HF- und Mikrowellenmaterialmessungen

Freiraum-Setup für E-Band-Materialmessungen

Abbildung 3. Freiraum-Setup für E-Band-Materialmessungen aus einem Projekt von Fraunhofer FHR, RWTH Aachen IHF und Anritsu. Das Setup besteht aus einem Anritsu Shockline MS46522B-082-VNA mit kleinen angebundenen Source / Receiver-Modulen und einem Basischassis. Die Remote-Module verfügen über eine native WR-12-Wellenleiter-Schnittstelle und sind mit Hornantennen und einem benutzerdefinierten Linsensystem gekoppelt. Die drei Schritte einer TRM-Kalibrierung werden zusammen mit der tatsächlichen Messung der MUT angezeigt. Das folgende Video bietet eine Demonstration davon:

Resona

Resonante Verfahren ermöglichen die Extraktion dielektrischer Eigenschaften bei einer einzelnen Frequenz oder bei einem Satz diskreter Frequenzen. Dadurch kann eine höhere Genauigkeit - z. B. 4-Ziffern im Dielektrizitäts- und Verlustfaktor - und eine Empfindlichkeit gegenüber den zuvor beschriebenen Methoden erreicht werden.

Die MUT befindet sich in einem Resonanzhohlraum mit bekannter Resonanzfrequenz und Qualitätsfaktor. Die durch die MUT eingeführte Änderung der letzteren Mengen wird somit gemessen und die Permittivität und Permeabilität bestimmt. Fehler sind <1% für die Dielektrizitätskonstante und 0.3% für den Verlustfaktor. Eine solche hohe Genauigkeit versagt bei Materialien mit hohem Verlust, da sich der resonante Peak mit zunehmendem Verlust aufweitet.

HF- und Mikrowellenmaterialmessungen

Abbildung 4. Hohlraumresonator-Setup für Materialmessungen. (a) Skizze der Probenhalterstufe mit Darstellung der dielektrischen Träger und Resonatoren, der Probenebene (rot) und der Kopplungsschleifen. (b) und (c) zeigen tatsächliche Hohlraumresonatoren.

Vergleich verschiedener Methoden

Jede Methodik hat ihren eigenen Anwendungsbereich und die beste Wahl hängt ab von: Frequenzbereich von Interesse, erforderliche Messgenauigkeit, isotrope und Homogenitätseigenschaften, Form (dh Pulver, Flüssigkeit, Feststoff), Größe, Anforderungen in Bezug auf zerstörungsfrei oder berührungslose Prüfung und Temperaturbereich. Die nachstehende Tabelle fasst die Vorteile, Anwendungsbereiche und Einschränkungen der einzelnen Techniken zusammen.

HF- und Mikrowellenmaterialmessungen

Schlussfolgerungen

Die Verwendung von VNA als flexibles und vielseitiges Werkzeug zur genauen und quantitativen Charakterisierung von Materialeigenschaften wie elektrischer Permittivität und magnetischer Permeabilität von wenigen kHz bis zum THz-Bereich wurde diskutiert. Verschiedene Methoden wurden vorgestellt, um die Permittivität und Permeabilität der MUT aus 2-Ports oder 1-Port-S-Parametermessungen zu extrahieren.

Die Art der MUT, die mit einem VNA charakterisiert werden kann, reicht von biologischen Substanzen und Flüssigkeiten bis zu Feststoffen und Pulvern. Dies unterstreicht die breite Anwendbarkeit des VNA als Werkzeug zur Charakterisierung von Materialeigenschaften bei hohen Frequenzen.

Prozessindustrie Informer

Weitere Nachrichten

Hinterlasse einen Kommentar

Deine Email-Adresse wird nicht veröffentlicht. erforderliche Felder sind markiert *

Diese Seite verwendet Akismet, um Spam zu reduzieren. Erfahren Sie, wie Ihre Kommentardaten verarbeitet werden.