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Misure di materiali RF e microonde: tecniche e applicazioni

Come possiamo differenziare i tipi di cellule cancerose da quelle non cancerose? Qual è il tempo di propagazione di un segnale all'interno di un filtro?

Qual è l'efficacia di schermatura di un componente?

Qual è la permittività relativa di un substrato a microstriscia?

Qual è la prestazione di un assorbitore radar?

Ciò che accomuna tutte queste domande è la necessità di caratterizzare quantitativamente le proprietà dei materiali a frequenze RF e microonde.

Di Enrico Brinciotti, PhD, Business Development Engineer, Anritsu - Regione EMEA

BTY

Domande simili, provenienti da diverse applicazioni, hanno creato una domanda continua di misurare accuratamente le proprietà dielettriche e magnetiche dei materiali.

In questo scenario, Vector Network Analyzer (VNA) rappresenta uno strumento che consente misurazioni veloci, accurate, spesso non distruttive e talvolta anche senza contatto del materiale sotto test (MUT). Nel corso degli anni sono stati sviluppati diversi metodi per caratterizzare le proprietà dielettriche dei materiali.

Queste tecniche includono metodi con sonda coassiale aperta, tecniche di spazio libero, risonatori e metodi di trasmissione.

Ogni tecnica ha il proprio campo di applicabilità in base a diversi fattori, come frequenza di interesse, accuratezza della misurazione richiesta, proprietà isotropiche e di omogeneità, forma (cioè polvere, liquido, solido), dimensioni, requisiti in termini non distruttivi o senza contatto test e intervallo di temperatura. Questo articolo presenta una panoramica delle diverse tecniche basate sul VNA, insieme ad alcuni esempi reali di nuove applicazioni.

Proprietà dielettriche dei materiali

I materiali possono essere raggruppati in isolanti (cioè dielettrici), conduttori e semiconduttori. Quando un materiale dielettrico viene esposto a un campo elettrico esterno, sarà polarizzato. La quantità di energia elettromagnetica che un materiale immagazzina e dissipa viene misurata dalle sue proprietà dielettriche e magnetiche, cioè la permittività elettrica e la permeabilità magnetica. Entrambe sono quantità complesse.

La parte reale della permittività viene spesso indicata come costante dielettrica. I materiali possono essere suddivisi in dispersivo e non dispersivo, a seconda che la loro permittività cambi in funzione della frequenza o meno, rispettivamente. Per i materiali dispersivi, è necessario quantificare il loro comportamento in frequenza. Di conseguenza, la permittività viene tipicamente misurata in funzione della frequenza. La permittività relativa complessa, εr, è definito come

Dove σ = ωε '' è la conducibilità elettrica (S / m), j = √-1 è l'unità immaginaria e ω = 2πf è la frequenza angolare (rad / s). La permittività complessa εr consiste in una parte reale e una parte immaginaria.

La parte reale ε' misura la quantità di energia immagazzinata nel materiale, la parte immaginaria ε '', noto anche come fattore di perdita, misura la quantità di perdita di energia dal materiale. Il rapporto tra la parte immaginaria e la parte reale della permittività complessa è definito come tangente di perdita (fattore di dissipazione o fattore di perdita)

Misura la dissipazione intrinseca di energia elettromagnetica dal materiale sotto test (MUT).

Tecniche di misurazione dei materiali a base di VNA

Esistono diversi metodi basati su VNA che consentono di misurare le proprietà elettriche dei materiali, ovvero la permittività elettricaε e permeabilità magnetica µ, da pochi kHz fino a THz. Dalle complesse misurazioni dei parametri S, la parte reale e immaginaria diε e µ può essere ottenuto, contemporaneamente.

Possono essere identificati quattro approcci: metodi di sondaggio coassiale aperto, metodi di trasmissione, tecniche di spazio libero e risonatori. Le proprietà dielettriche del MUT dipendono dalla frequenza, dall'anisotropia, dall'omogeneità, dalla temperatura e da altri parametri. Di conseguenza, non esiste la migliore tecnica per misurare accuratamente le proprietà dielettriche di tutti i materiali a tutte le frequenze e temperature.

Il metodo migliore per scegliere dipenderà da: frequenza, temperatura, regime di perdita, forma MUT (polvere, solido, liquido, ecc.), Dimensione (film sottile, pannello largo, ecc.), Necessità di test di non distruttività e possibilità di contatto con il MUT o meno. Quello che segue è una panoramica dei quattro metodi più comunemente utilizzati per sondare le proprietà dei materiali a frequenze RF e microonde.

Sonda coassiale a terminazione aperta

Una sonda coassiale a terminazione aperta viene utilizzata per misurare materiali con perdite ad alte frequenze su un'ampia gamma di frequenze da 0.5 GHz a 110 GHz. Le proprietà dielettriche vengono estratte dalle misure di riflessione della porta 1 attraverso una sonda metallica premuta contro il MUT.

Una fase di calibrazione viene utilizzata per fare riferimento al segnale riflesso misurato sul piano dell'apertura della sonda. I solidi piatti e i liquidi sono campioni adatti per questa tecnica. Per materiali con bassa permittività, il metodo introduce alcune incertezze e deflessioni.

Misure materiali RF e microonde

Figura 1. Metodo con sonda coassiale aperta. (a) Schizzo della sonda con linee di campo E sull'interfaccia sonda / MUT. (b) Applicazione del metodo alle frequenze mm-Wave utilizzando i moduli Anritsu 3743A mm-Wave e con un cavo coassiale e zoom dei connettori 1.85 mm (70 GHz) e 1 mm (125 GHz).

Metodo della linea di trasmissione

Nel metodo della linea di trasmissione, il MUT è posto all'interno di una linea di trasmissione (cioè guida d'onda o coassiale). Permittività e permeabilità vengono estratte dalle misure dei parametri S di trasmissione e riflessione.

Il metodo è applicabile sia a solidi che a fluidi e ha maggiore accuratezza e sensibilità rispetto alla tecnica a sonda coassiale aperta. I tassi di errore sono <5% per la permittività e la permeabilità e, a livelli di perdita sufficientemente elevati, <10% per la tangente di perdita. La risoluzione della tangente di perdita è ± 0.01; di conseguenza, i materiali con tanδ <0.01 non sono caratterizzabili.

Misure materiali RF e microonde

Figura 2. Impostazione della linea di trasmissione per misure di materiali. La configurazione è composta da un VR ME7838E VectorStar Anritsu con 70 kHz a 110 GHz (uscita coassiale 1 mm) e da una serie di componenti della guida d'onda che coprono la gamma a banda larga. Nella parte inferiore, viene mostrato uno zoom di una linea di trasmissione della guida d'onda WR-19, con il MUT situato nella giunzione centrale.

Impostazioni di spazio libero

Nelle configurazioni di spazio libero, i parametri S sono calcolati tra due antenne con il campione posizionato nella linea di vista. Dall'analisi delle porzioni riflesse e trasmesse di un'onda EM che si propaga dallo spazio libero nel campione, è possibile estrarre le proprietà dielettriche del MUT. Il corno trasmittente irradia un fascio gaussiano collimato tramite lenti dielettriche, limitando così i contributi di diffrazione dai bordi MUT.

Fonti di errore comuni sono disallineamenti sonda / campione, nonché effetti di diffrazione. Per limitare le aberrazioni e le riflessioni multiple delle onde frontali è necessario un preciso allineamento e produzione di lenti. Di conseguenza, le configurazioni di spazio libero, specialmente per le applicazioni a banda larga, sono piuttosto costose. Precisioni nette e risoluzioni delle perdite sono simili a quelle riportate per il metodo della linea di trasmissione.

Misure materiali RF e microonde

Configurazione dello spazio libero per le misurazioni del materiale E-Band

Figura 3. Configurazione dello spazio libero per misure di materiali E-Band da un progetto che coinvolge Fraunhofer FHR, RWTH Aachen IHF e Anritsu. Il setup è composto da un VNA di Anritsu Shockline MS46522B-082 con piccoli moduli sorgente / ricevitore cablati e uno chassis di base. I moduli remoti hanno un'interfaccia nativa per guida d'onda WR-12 e sono accoppiati a antenne a tromba e un sistema di lenti progettato su misura. Vengono mostrati i tre passaggi di una calibrazione TRM, insieme alla misurazione effettiva del MUT. Il video qui sotto offre una dimostrazione di questo:

risonatori

I metodi risonanti consentono l'estrazione di proprietà dielettriche a una singola frequenza oa un insieme di frequenze discrete. Ciò consente di raggiungere una maggiore accuratezza, ad esempio le cifre 4 nella permittività e la tangente di perdita, e la sensibilità rispetto ai metodi descritti in precedenza.

Il MUT è posto all'interno di una cavità risonante con frequenza di risonanza e fattore di qualità noti. Viene quindi misurata la variazione delle ultime quantità introdotte dal MUT e vengono determinate la permittività e la permeabilità. Gli errori sono <1% per la permittività e 0.3% per la tangente di perdita. Tale elevata precisione non riesce per i materiali ad alta perdita, perché il picco risonante si allarga all'aumentare della perdita.

Misure materiali RF e microonde

Figura 4. Impostazione del risonatore di cavità per misure di materiali. (a) Disegno dello stadio portacampione, che mostra i supporti dielettrici e i risonatori, il piano di campionamento (rosso) e gli anelli di accoppiamento. (b) e (c) mostrano i veri risonatori della cavità.

Confronto tra diversi metodi

Ogni metodologia ha il proprio campo di applicabilità e la scelta migliore dipende da: intervallo di frequenza di interesse, accuratezza della misurazione richiesta, proprietà isotropiche e di omogeneità, forma (cioè polvere, liquido, solido), dimensioni, requisiti in termini non distruttivi o test senza contatto e intervallo di temperatura. La tabella seguente riassume i vantaggi, i campi di applicabilità e le limitazioni di ciascuna tecnica.

Misure materiali RF e microonde

Conclusioni

È stato discusso l'uso del VNA come strumento flessibile e versatile per caratterizzare in modo preciso e quantitativo le proprietà dei materiali, come la permittività elettrica e la permeabilità magnetica, da pochi kHz a un intervallo di THz. Sono stati presentati diversi metodi per estrarre la permittività e la permeabilità del MUT dalle misurazioni 2-port o 1-port S-parameters.

Il tipo di MUT che può essere caratterizzato utilizzando un VNA spazia dalla materia e liquidi biologici a solidi e polveri, evidenziando l'ampia applicabilità del VNA come strumento per caratterizzare le proprietà dei materiali alle alte frequenze.

Process Industry Informer

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