← Вернуться назад на категорию Измерение процессов и инструментовка

Измерения радиочастотных и микроволновых материалов: методы и применение

Как мы можем отличить раковые от незлокачественных типов клеток? Каково время распространения сигнала внутри фильтра?

Какова эффективность защиты компонента?

Какова относительная диэлектрическая проницаемость микрополосковой подложки?

Какова производительность радиолокационного поглотителя?

Общим для всех этих вопросов является необходимость количественной характеристики свойств материала на радиочастотных и микроволновых частотах.

Энрико Бринчотти, доктор философии, инженер по развитию бизнеса, Anritsu - регион EMEA

BTY

Подобные вопросы, возникающие из разных приложений, создали постоянную потребность в точном измерении диэлектрических и магнитных свойств материалов.

В этом сценарии Vector Network Analyzer (VNA) представляет собой инструмент, который позволяет проводить быстрые, точные, часто неразрушающие и иногда даже бесконтактные измерения тестируемого материала (MUT). За прошедшие годы было разработано несколько методов для характеристики диэлектрических свойств материалов.

Эти методы включают в себя методы коаксиального зонда с открытым концом, методы свободного пространства, резонаторы и методы линии передачи.

Каждый метод имеет свою собственную область применения в зависимости от нескольких факторов, таких как частота интереса, требуемая точность измерения, изотропные и однородные свойства, форма (т. Е. Порошок, жидкость, твердое вещество), размер, требования с точки зрения неразрушающего или бесконтактного тестирование и температурный диапазон. В этой статье представлен обзор различных методов на основе VNA, а также приведены некоторые примеры новых приложений.

Диэлектрические свойства материалов

Материалы могут быть сгруппированы в изоляторы (т.е. диэлектрики), проводники и полупроводники. Когда диэлектрический материал подвергается воздействию внешнего электрического поля, он будет поляризован. Количество электромагнитной энергии, которое материал накапливает и рассеивает, измеряется его диэлектрическими и магнитными свойствами, а именно электрической проницаемостью и магнитной проницаемостью. Оба являются сложными величинами.

Действительная часть диэлектрической проницаемости часто упоминается как диэлектрическая проницаемость. Материалы могут быть разделены на дисперсионные и недисперсионные, в зависимости от того, изменяется ли их диэлектрическая проницаемость как функция частоты или нет соответственно. Для дисперсионных материалов необходимо количественно оценить их частотное поведение. Соответственно, диэлектрическая проницаемость обычно измеряется как функция частоты. Комплекс относительной диэлектрической проницаемости, εr, определяется как

где σ = ωε '' - электропроводность (См / м), J = √-1 мнимая единица, и ω = 2πf угловая частота (рад / с). Комплекс диэлектрической проницаемости εr состоит из реальной части и мнимой части.

Реальная часть ε» измеряет количество энергии, запасенной в материале, мнимой части ε ''также известный как коэффициент потерь, измеряет количество потерь энергии от материала. Отношение мнимой части к реальной части комплексной диэлектрической проницаемости определяется как тангенс угла потерь (коэффициент рассеяния или коэффициент потерь)

Он измеряет внутреннее рассеяние электромагнитной энергии испытуемым материалом (MUT).

Методы измерения материалов на основе VNA

Существует несколько методов на основе VNA, которые позволяют измерять электрические свойства материалов, а именно электрическую проницаемостьε и магнитная проницаемость µот нескольких кГц до ТГц. Из сложных измерений S-параметров, реальной и мнимой частиε и µ можно получить одновременно.

Можно выделить четыре подхода: методы коаксиального зонда с открытым концом, методы линии передачи, методы свободного пространства и резонаторы. Диэлектрические свойства MUT зависят от частоты, анизотропии, однородности, температуры и других параметров. Соответственно, нет такой вещи, как лучший метод для точного измерения диэлектрических свойств всех материалов на всех частотах и ​​температурах.

Выбор лучшего метода будет зависеть от: частоты, температуры, режима потерь, формы MUT (порошок, твердое вещество, жидкость и т. Д.), Размера (тонкая пленка, большая панель и т. Д.), Потребностей в испытаниях на неразрушающий характер и возможности контакт с MUT или нет. Далее следует обзор четырех наиболее часто используемых методов для исследования свойств материалов на радиочастотных и микроволновых частотах.

Коаксиальный зонд с открытым концом

Коаксиальный зонд с открытым концом используется для измерения материалов с потерями на высоких частотах в широком диапазоне частот от 0.5 ГГц до 110 ГГц. Диэлектрические свойства получены из измерений отражения порта 1 через металлический зонд, прижатый к MUT.

Этап калибровки используется для привязки измеренного отраженного сигнала к плоскости апертуры зонда. Плоские твердые частицы и жидкости - хорошо подходящие образцы для этой техники. Для материалов с низкой диэлектрической проницаемостью метод вводит некоторые неопределенности и отклонения.

Измерения радиочастотных и микроволновых материалов

Рисунок 1. Метод коаксиального зонда с открытым концом. (a) Эскиз зонда с линиями E-поля на границе зонда / MUT. (b) Применение метода на частотах мм-волны с использованием модулей мм-волны Anritsu 3743A и с помощью коаксиального кабеля и зума с разъемами 1.85 мм (70 ГГц) и 1 мм (125 ГГц).

Метод передающей линии

В способе линии передачи MUT помещается внутри линии передачи (то есть волновода или коаксиала). Диэлектрическая проницаемость и проницаемость извлекаются из измерений S-параметров пропускания и отражения.

Этот метод применим как к твердым веществам, так и к жидкостям, и имеет более высокую точность и чувствительность, чем метод коаксиального зонда с открытым концом. Коэффициенты ошибок составляют <5% для диэлектрической проницаемости и проницаемости и, при достаточно высоких уровнях потерь, <10% для тангенса потерь. Разрешение тангенса угла потерь составляет ± 0.01; соответственно, материалы с tanδ <0.01 не могут быть охарактеризованы.

Измерения радиочастотных и микроволновых материалов

Рисунок 2. Установка передающей линии для измерений материалов. Установка состоит из VNA Anritsu VectorStar ME7838E с возможностью полной развертки от 70 кГц до 110 ГГц (коаксиальный выход 1 мм) и набора волноводных компонентов, охватывающих широкополосный диапазон. Внизу показан масштаб волноводной линии передачи WR-19, с MUT, расположенным в центральном соединении.

Настройки свободного пространства

В установках в свободном пространстве S-параметры рассчитываются между двумя антеннами, причем образец располагается в зоне прямой видимости. Из анализа отраженной и прошедшей частей электромагнитной волны, которая распространяется из свободного пространства в образец, можно извлечь диэлектрические свойства MUT. Передающий рупор излучает коллимированный гауссов пучок через диэлектрические линзы, тем самым ограничивая дифракционные вклады от краев MUT.

Распространенными источниками ошибок являются смещения зонда / образца, а также эффекты дифракции. Точное изготовление и выравнивание линз необходимо для ограничения аберраций волнового фронта и множественных отражений. Соответственно, установки в свободном пространстве, особенно для широкополосных приложений, довольно дороги. Чистая точность и разрешение потерь аналогичны тем, о которых сообщалось для метода линии электропередачи.

Измерения радиочастотных и микроволновых материалов

Установка в свободном пространстве для измерений материала E-Band

Рисунок 3. Установка в свободном пространстве для измерений материала в диапазоне E из проекта, в котором участвуют Fraunhofer FHR, RWTH Aachen IHF и Anritsu. Установка состоит из VNA Anritsu Shockline MS46522B-082 с небольшими привязанными модулями источника / приемника и базовым шасси. Удаленные модули имеют встроенный волноводный интерфейс WR-12 и подключены к рупорным антеннам и специально разработанной системе линз. Три шага калибровки TRM показаны вместе с фактическим измерением MUT. Видео ниже демонстрирует это:

Резонаторы

Резонансные методы позволяют извлекать диэлектрические свойства на одной частоте или на наборе дискретных частот. Это позволяет достичь более высокой точности - например, цифр 4 в диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь - и чувствительности по отношению к ранее описанным методам.

MUT помещается внутри резонансной полости, имеющей известную резонансную частоту и добротность. Таким образом, измеряется изменение последних величин, вносимых MUT, и определяются диэлектрическая проницаемость и проницаемость. Ошибки составляют <1% для диэлектрической проницаемости и 0.3% для тангенса угла потерь. Такая высокая точность не подходит для материалов с высокими потерями, потому что резонансный пик расширяется с увеличением потерь.

Измерения радиочастотных и микроволновых материалов

Рисунок 4. Установка резонатора резонатора для измерений материалов. (а) Эскиз каскада держателя образца, показывающий диэлектрические опоры и резонаторы, плоскость образца (красный) и петли связи. (б) и (в) показывают фактические резонаторы резонатора.

Сравнение разных методов

Каждая методология имеет свою область применения, и лучший выбор зависит от: диапазона частот, требуемой точности измерения, изотропных и однородных свойств, формы (т. Е. Порошка, жидкости, твердого вещества), размера, требований с точки зрения неразрушающего или бесконтактное тестирование и температурный диапазон. В таблице ниже приведены преимущества, области применимости и ограничения каждого метода.

Измерения радиочастотных и микроволновых материалов

Выводы

Обсуждается использование VNA в качестве гибкого и универсального инструмента для точной и количественной характеристики свойств материалов, таких как электрическая проницаемость и магнитная проницаемость, в диапазоне от нескольких кГц до ТГц. Были представлены различные методы для извлечения диэлектрической проницаемости и проницаемости MUT из измерений S-параметров 2-портов или 1-портов.

Тип MUT, который можно охарактеризовать с использованием VNA, варьируется от биологического вещества и жидкостей до твердых веществ и порошков, что подчеркивает широкую применимость VNA в качестве инструмента для характеристики свойств материалов на высоких частотах.

Индустрия технологической промышленности

новости по теме

Оставить комментарий

Ваш электронный адрес не будет опубликован. Обязательные поля помечены * *

Этот сайт использует Akismet для уменьшения количества спама. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.