← Terug naar de categorie Meting en instrumentatie verwerken

Materiaalmetingen RF en microgolven: technieken en toepassingen

Hoe kunnen we kankercellen differentiëren van niet-kankercellentypen? Wat is de voortplantingstijd van een signaal binnen een filter?

Wat is de afschermingseffectiviteit van een component?

Wat is de relatieve diëlektrische constante van een microstrip-substraat?

Wat is de prestatie van een radarabsorbeerder?

Wat al deze vragen gemeen hebben, is de behoefte om de materiaaleigenschappen op RF- en microgolffrequenties kwantitatief te karakteriseren.

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

BTY

Vergelijkbare vragen, afkomstig van verschillende toepassingen, hebben geleid tot een voortdurende vraag naar het nauwkeurig meten van diëlektrische en magnetische eigenschappen van materialen.

In dit scenario is de Vector Network Analyzer (VNA) een hulpmiddel dat snelle, nauwkeurige, vaak niet-destructieve en soms zelfs contactloze metingen van de Material Under Test (MUT) mogelijk maakt. In de loop der jaren zijn verschillende methoden ontwikkeld om de diëlektrische eigenschappen van materialen te karakteriseren.

Deze technieken omvatten open-ended coaxiale probe-methoden, vrije-ruimtetechnieken, resonatoren en transmissielijnmethoden.

Elke techniek heeft zijn eigen toepassingsgebied afhankelijk van verschillende factoren, zoals frequentie van belang, vereiste meetnauwkeurigheid, isotrope en homogeniteitseigenschappen, vorm (dwz poeder, vloeistof, vast), grootte, vereisten in termen van niet-destructief of contactloos testen en temperatuurbereik. Dit artikel geeft een overzicht van de verschillende op VNA gebaseerde technieken, samen met enkele actuele voorbeelden van nieuwe toepassingen.

Diëlektrische eigenschappen van materialen

Materialen kunnen worden gegroepeerd in isolatoren (diëlektrica), geleiders en halfgeleiders. Wanneer een diëlektrisch materiaal wordt blootgesteld aan een extern elektrisch veld, zal het worden gepolariseerd. De hoeveelheid elektromagnetische energie die een materiaal opslaat en verspreidt, wordt gemeten door de diëlektrische en magnetische eigenschappen ervan, namelijk de elektrische diëlektrische constante en de magnetische permeabiliteit. Beide zijn complexe hoeveelheden.

Het reële deel van de diëlektrische constante wordt vaak diëlektrische constante genoemd. Materialen kunnen worden verdeeld in dispersieve en niet-dispersieve, afhankelijk of hun permittiviteit verandert als een functie van frequentie of niet, respectievelijk. Voor dispersieve materialen is het noodzakelijk om hun frequentiegedrag te kwantificeren. Dienovereenkomstig wordt de diëlektrische constante typisch gemeten als een functie van de frequentie. De complexe relatieve diëlektrische constante, εr, is gedefinieerd als

Waar σ = ωε '' is de elektrische geleidbaarheid (S / m), j = √-1 is de denkbeeldige eenheid, en ω = 2πf is de hoekfrequentie (rad / s). De complexe diëlektrische constante εr bestaat uit een echt deel en een denkbeeldig deel.

Het echte deel ε' meet de hoeveelheid energie opgeslagen in het materiaal, het imaginaire deel ε '', ook wel verliesfactor genoemd, meet de hoeveelheid energieverlies uit het materiaal. De verhouding van het imaginaire deel tot het reële deel van de complexe diëlektrische constante wordt gedefinieerd als verlies van raaklijn (dissipatiefactor of verliesfactor)

Het meet de inherente dissipatie van elektromagnetische energie door de Material Under Test (MUT).

Op VNA gebaseerde technieken voor materiaalmetingen

Er bestaan ​​verschillende op VNA gebaseerde methoden die de elektrische eigenschappen van meetmaterialen mogelijk maken, namelijk de elektrische diëlektrische constanteε en magnetische permeabiliteit µ, van enkele kHz tot THz. Van complexe S-parameter metingen, het echte en imaginaire deel vanε en µ kan gelijktijdig worden verkregen.

Er zijn vier benaderingen te onderscheiden: open-end coaxiale sondemethoden, transmissielijnmethoden, vrije-ruimtetechnieken en resonatoren. De diëlektrische eigenschappen van de MUT hangen af ​​van frequentie, anisotropie, homogeniteit, temperatuur en andere parameters. Dienovereenkomstig bestaat er niet zoiets als de beste techniek om alle diëlektrische eigenschappen van alle materialen nauwkeurig te meten bij alle frequenties en temperaturen.

De beste methode om te kiezen is afhankelijk van: frequentie, temperatuur, verliesregime, MUT-vorm (poeder, vaste stof, vloeistof, enz.), Grootte (dunne film, groot paneel, enz.), Niet-destructieve testbehoeften en de mogelijkheid om contact met de MUT of niet. Wat volgt is een overzicht van de vier meest gebruikte methoden om materiaaleigenschappen op RF- en microgolffrequenties te onderzoeken.

Open-ended coaxiale sonde

Een coaxiale sonde met open uiteinde wordt gebruikt om lossy-materialen bij hoge frequenties te meten over een breed frequentiebereik van 0.5 GHz tot 110 GHz. Diëlektrische eigenschappen worden geëxtraheerd uit 1-poortreflectiemetingen door een metalen probe die tegen de MUT wordt gedrukt.

Een kalibratiestap wordt gebruikt om te verwijzen naar het gemeten gereflecteerde signaal in het diafragmavlak van de sonde. Platte vaste stoffen en vloeistoffen zijn goed geschikte monsters voor deze techniek. Voor materialen met een lage diëlektrische constante, introduceert de methode een aantal onzekerheden en afbuigingen.

RF- en microgolfmateriaalmetingen

Figuur 1. Open-end coaxiale sondemethode. (a) Schets van de sonde met E-veldlijnen op de sonde / MUT-interface. (b) Toepassing van de methode op mm-golffrequenties met Anritsu 3743A mm-Wave-modules en met een coaxiale kabel en zoom van 1.85 mm (70 GHz) en 1 mm (125 GHz) connectoren.

Transmissielijn methode

Bij de transmissielijnmethode wordt de MUT in een transmissielijn geplaatst (golfgeleider of coaxiaal). De diëlektrische constante en permeabiliteit worden geëxtraheerd uit transmissie- en reflectie S-parameters metingen.

De methode is toepasbaar op zowel vaste stoffen als vloeistoffen, en heeft een hogere nauwkeurigheid en gevoeligheid dan de open-ended coaxiale sondetechniek. Foutpercentages zijn <5% voor de diëlektrische constante en permeabiliteit en, bij voldoende hoge verliesniveaus, <10% voor de tangent. De resolutie van de ruislijn is ± 0.01; dienovereenkomstig zijn materialen met tanδ <0.01 niet karakteriserend.

RF- en microgolfmateriaalmetingen

Figuur 2. Transmissielijnopstelling voor materiaalmetingen. De set-up bestaat uit een Anritsu VectorStar ME7838E VNA met 70 kHz tot 110 GHz (1 mm coaxiale uitvoer) volledig bereik en een set golfgeleidercomponenten die het breedbandbereik beslaat. Onderaan wordt een zoomlens van een WR-19-golfgeleidertransmissielijn weergegeven, met de MUT op de centrale kruising.

Opstellingen met vrije ruimte

In vrije ruimte-opstellingen worden de S-parameters berekend tussen twee antennes waarbij het monster in de gezichtslijn wordt geplaatst. Uit de analyse van de gereflecteerde en uitgezonden delen van een EM-golf die zich vanuit vrije ruimte in het monster voortplant, kunnen de diëlektrische eigenschappen van de MUT worden geëxtraheerd. De zendhoorn straalt een gecollimeerde Gauss-straal uit via diëlektrische lenzen, waardoor de diffractiebijdragen van de MUT-randen worden beperkt.

Veelvoorkomende foutenbronnen zijn oneffenheden in de probe / sample, evenals diffractie-effecten. Het vervaardigen en uitlijnen van precieze lenzen is vereist om golffrontafwijkingen en meervoudige reflecties te beperken. Dienovereenkomstig zijn opstellingen met vrije ruimte, in het bijzonder voor breedbandtoepassingen, vrij duur. Netnauwkeurigheden en verliesresoluties komen overeen met die voor de transmissielijnmethode.

RF- en microgolfmateriaalmetingen

Free-Space-opstelling voor materiaalmetingen van E-Band

Figuur 3. Vrije ruimte-opstelling voor E-Band materiaalmetingen van een project met Fraunhofer FHR, RWTH Aachen IHF en Anritsu. De opstelling bestaat uit een Anritsu Shockline MS46522B-082 VNA met kleine gekoppelde bron / ontvangermodules en een basischassis. De externe modules hebben een native WR-12-waveguide-interface en zijn gekoppeld aan hoornantennes en een speciaal ontworpen lenssysteem. De drie stappen van een TRM-kalibratie worden getoond, samen met de daadwerkelijke meting van de MUT. Onderstaande video biedt een demonstratie hiervan:

resonators

Resonante methoden maken de extractie mogelijk van diëlektrische eigenschappen op een enkele frequentie of op een reeks discrete frequenties. Dit maakt een hogere nauwkeurigheid mogelijk - bijv. 4 cijfers in de permittiviteit en verlies tangens - en gevoeligheid ten opzichte van de eerder beschreven methoden.

De MUT wordt geplaatst in een resonantieholte met bekende resonantiefrequentie en kwaliteitsfactor. De verandering in de laatste hoeveelheden geïntroduceerd door de MUT wordt aldus gemeten en de diëlektrische constante en permeabiliteit worden bepaald. Fouten zijn <1% voor de diëlektrische constante en 0.3% voor de ruisverlenging. Een dergelijke hoge nauwkeurigheid faalt voor materialen met een hoog verlies, omdat de resonante piek breder wordt naarmate het verlies toeneemt.

RF- en microgolfmateriaalmetingen

Figuur 4. Caviteitsresonatoropstelling voor materiaalmetingen. (a) Schets van de fase van de monsterhouder, die de diëlektrische ondersteuningen en resonatoren, het monstervlak (rood) en de koppelingslussen toont. (b) en (c) tonen werkelijke holteresonatoren.

Vergelijking van verschillende methoden

Elke methode heeft zijn eigen toepassingsgebied en de beste keuze is afhankelijk van: van belang zijnde frequentiegebied, vereiste meetnauwkeurigheid, isotrope en homogeniteitseigenschappen, vorm (dwz poeder, vloeistof, vast), grootte, vereisten in termen van niet-destructieve of contactloos testen en temperatuurbereik. De onderstaande tabel vat de voordelen, toepassingsgebieden en beperkingen van elke techniek samen.

RF- en microgolfmateriaalmetingen

Conclusies

Het gebruik van VNA als een flexibel en veelzijdig hulpmiddel om materiaaleigenschappen, zoals de elektrische diëlektrische constante en magnetische permeabiliteit, van enkele kHz tot het THz-bereik nauwkeurig en kwantitatief te karakteriseren, is besproken. Verschillende methoden zijn gepresenteerd om de permittiviteit en permeabiliteit van de MUT te extraheren uit 2-poorten of 1-poort S-parameters metingen.

Het type MUT dat kan worden gekarakteriseerd met behulp van een VNA varieert van biologisch materiaal en vloeistoffen tot vaste stoffen en poeders, wat de brede toepasbaarheid van de VNA als hulpmiddel voor het kenmerken van materiaaleigenschappen bij hoge frequenties benadrukt.

Procesindustrie Informer

Gerelateerd nieuws

Laat een reactie achter

Uw e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Verplichte velden zijn gemarkeerd *

Deze site gebruikt Akismet om spam te verminderen. Ontdek hoe uw reactiegegevens worden verwerkt.