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Mediciones de materiales de radiofrecuencia y microondas: técnicas y aplicaciones

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Lo que todas estas preguntas tienen en común es la necesidad de caracterizar cuantitativamente las propiedades del material en las frecuencias de RF y microondas.

Por Enrico Brinciotti, PhD, Ingeniero de Desarrollo de Negocios, Anritsu - Región EMEA

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Preguntas similares, provenientes de diferentes aplicaciones, han creado una demanda continua para medir con precisión las propiedades dieléctricas y magnéticas de los materiales.

En este escenario, Vector Network Analyzer (VNA), representa una herramienta que permite mediciones rápidas, precisas, a menudo no destructivas y, a veces, incluso sin contacto, del Material bajo prueba (MUT). A lo largo de los años, se han desarrollado varios métodos para caracterizar las propiedades dieléctricas de los materiales.

Estas técnicas incluyen métodos de sonda coaxial de extremo abierto, técnicas de espacio libre, resonadores y métodos de línea de transmisión.

Cada técnica tiene su propio campo de aplicabilidad en función de varios factores, como la frecuencia de interés, la precisión de medición requerida, las propiedades isotrópicas y de homogeneidad, la forma (es decir, polvo, líquido, sólido), el tamaño, los requisitos en términos de no destructivos o sin contacto. Pruebas, y rango de temperatura. Este artículo presenta una descripción general de las diferentes técnicas basadas en VNA, junto con algunos ejemplos reales de aplicaciones novedosas.

Propiedades dieléctricas de materiales

Los materiales se pueden agrupar en aislantes (es decir, dieléctricos), conductores y semiconductores. Cuando un material dieléctrico se expone a un campo eléctrico externo, se polarizará. La cantidad de energía electromagnética que un material almacena y disipa se mide por sus propiedades dieléctricas y magnéticas, a saber, la permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética. Ambos son cantidades complejas.

La parte real de la permitividad se refiere a menudo como constante dieléctrica. Los materiales se pueden dividir en dispersivos y no dispersivos, dependiendo de si su permitividad cambia en función de la frecuencia o no, respectivamente. Para materiales dispersivos, es necesario cuantificar su comportamiento de frecuencia. Por consiguiente, la permitividad se mide típicamente en función de la frecuencia. La permitividad relativa compleja, εr, Se define como

Donde σ = ωε '' es la conductividad eléctrica (S / m), j = √-1 es la unidad imaginaria, y ω = 2πf Es la frecuencia angular (rad / s). La compleja permitividad. εr Consiste en una parte real y una parte imaginaria.

La parte real ε ' Mide la cantidad de energía almacenada en el material, la parte imaginaria. ε '', también conocido como factor de pérdida, mide la cantidad de pérdida de energía del material. La relación de la parte imaginaria a la parte real de la permitividad compleja se define como tangente de pérdida (factor de disipación o factor de pérdida)

Mide la disipación inherente de la energía electromagnética por el Material bajo prueba (MUT).

Técnicas de medición de materiales basadas en VNA.

Existen varios métodos basados ​​en VNA que permiten medir las propiedades eléctricas de los materiales, a saber, la permitividad eléctrica.ε y permeabilidad magnética µ, desde pocos kHz hasta THz. A partir de mediciones complejas de parámetros S, la parte real e imaginaria deε y los µ Se puede obtener, simultáneamente.

Se pueden identificar cuatro enfoques: métodos de sonda coaxial de extremo abierto, métodos de línea de transmisión, técnicas de espacio libre y resonadores. Las propiedades dieléctricas del MUT dependen de la frecuencia, la anisotropía, la homogeneidad, la temperatura y otros parámetros. En consecuencia, no existe la mejor técnica para medir con precisión las propiedades dieléctricas de todos los materiales en todas las frecuencias y temperaturas.

El mejor método para elegir dependerá de: la frecuencia, la temperatura, el régimen de pérdida, la forma MUT (polvo, sólido, líquido, etc.), el tamaño (película delgada, el panel grande, etc.), las necesidades de prueba de no destrucción y la posibilidad de Póngase en contacto con el MUT o no. Lo que sigue es una descripción general de los cuatro métodos más utilizados para sondear las propiedades de los materiales en frecuencias de RF y microondas.

Sonda coaxial abierta

Se utiliza una sonda coaxial abierta para medir materiales con pérdidas a altas frecuencias en un amplio rango de frecuencias de 0.5 GHz a 110 GHz. Las propiedades dieléctricas se extraen de las medidas de reflexión del puerto 1 a través de una sonda metálica presionada contra el MUT.

Se utiliza un paso de calibración para hacer referencia a la señal reflejada medida en el plano de apertura de la sonda. Los sólidos y líquidos planos son muestras muy adecuadas para esta técnica. Para materiales con baja permitividad, el método introduce algunas incertidumbres y desviaciones.

Mediciones de materiales de RF y microondas

Figura 1. Método de sonda coaxial de extremo abierto. (a) Esquema de la sonda con líneas de campo E en la interfaz de la sonda / MUT. (b) Aplicación del método en frecuencias mm-Wave utilizando módulos Anritsu 3743A mm-Wave y con un cable coaxial y zoom de conectores 1.85 mm (70 GHz) y 1 mm (125 GHz).

Método de la línea de transmisión

En el método de la línea de transmisión, el MUT se coloca dentro de una línea de transmisión (es decir, guía de onda o coaxial). La permitividad y la permeabilidad se extraen de las mediciones de parámetros S de transmisión y reflexión.

El método es aplicable tanto a sólidos como a fluidos, y tiene mayor precisión y sensibilidad que la técnica de sonda coaxial abierta. Las tasas de error son <5% para la permitividad y la permeabilidad y, a niveles de pérdida suficientemente altos, <10% para la tangente de pérdida. La resolución de la tangente de pérdida es ± 0.01; en consecuencia, los materiales que tienen tanδ <0.01 no se pueden caracterizar.

Mediciones de materiales de RF y microondas

Figura 2. Configuración de línea de transmisión para medidas de materiales. La configuración se compone de un VNA Anritsu VectorStar ME7838E con 70 kHz a 110 GHz (salida coaxial de 1 mm) y un conjunto de componentes de guía de onda que cubren el rango de banda ancha. En la parte inferior, se muestra un zoom de una línea de transmisión de guía de ondas WR-19, con el MUT ubicado en la unión central.

Configuraciones de espacio libre

En las configuraciones de espacio libre, los parámetros S se calculan entre dos antenas con la muestra colocada en la línea de visión. Del análisis de las partes reflejadas y transmitidas de una onda EM que se propaga desde el espacio libre a la muestra, se pueden extraer las propiedades dieléctricas del MUT. La bocina transmisora ​​irradia un haz gaussiano colimado a través de lentes dieléctricas, lo que limita las contribuciones de difracción de los bordes MUT.

Las fuentes comunes de error son desalineaciones de la sonda / muestra, así como efectos de difracción. La fabricación y la alineación precisas de las lentes se requieren para limitar las aberraciones del frente de onda y los reflejos múltiples. En consecuencia, las configuraciones de espacio libre, especialmente para aplicaciones de banda ancha, son bastante caras. Las precisiones de la red y las resoluciones de pérdida son similares a las informadas para el método de la línea de transmisión.

Mediciones de materiales de RF y microondas

Configuración de espacio libre para mediciones de material de E-Band

Figura 3. Configuración de espacio libre para mediciones de material de banda E de un proyecto que involucra a Fraunhofer FHR, RWTH Aachen IHF y Anritsu. La configuración se compone de un VNA Anritsu Shockline MS46522B-082 con pequeños módulos de fuente / receptor atados y un chasis base. Los módulos remotos tienen una interfaz de guía de onda WR-12 nativa y están acoplados a antenas de bocina y un sistema de lentes de diseño personalizado. Se muestran los tres pasos de una calibración TRM, junto con la medición real del MUT. El siguiente video ofrece una demostración de esto:

resonadores

Los métodos resonantes permiten la extracción de propiedades dieléctricas en una sola frecuencia o en un conjunto de frecuencias discretas. Esto permite alcanzar una mayor precisión, por ejemplo, los dígitos 4 en la permitividad y la tangente de pérdida, y la sensibilidad con respecto a los métodos descritos anteriormente.

El MUT se coloca dentro de una cavidad resonante que tiene una frecuencia de resonancia y un factor de calidad conocidos. El cambio en las últimas cantidades introducidas por el MUT se mide así, y se determinan la permitividad y la permeabilidad. Los errores son <1% para la permitividad y 0.3% para la tangente de pérdida. La precisión tan alta falla para los materiales de alta pérdida, porque el pico de resonancia se amplía a medida que aumenta la pérdida.

Mediciones de materiales de RF y microondas

Figura 4. Configuración de resonador de cavidad para medidas de materiales (a) Esquema de la etapa del portamuestras, que muestra los soportes y resonadores dieléctricos, el plano de muestra (rojo) y los bucles de acoplamiento. (b) y (c) muestran resonadores de cavidad reales.

Comparación de diferentes métodos.

Cada metodología tiene su propio campo de aplicabilidad y la mejor elección depende de: rango de frecuencia de interés, precisión de medición requerida, propiedades isotrópicas y de homogeneidad, forma (es decir, polvo, líquido, sólido), tamaño, requisitos en términos de no destructiva o Pruebas sin contacto, y rango de temperatura. La siguiente tabla resume las ventajas, los campos de aplicabilidad y las limitaciones de cada técnica.

Mediciones de materiales de RF y microondas

conclusiones

Se ha discutido el uso de VNA como una herramienta flexible y versátil para caracterizar de manera precisa y cuantitativa las propiedades de los materiales, como la permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética, desde pocos kHz hasta el rango de THz. Se han presentado diferentes métodos para extraer la permitividad y la permeabilidad del MUT desde los puertos 2 o las mediciones de los parámetros S del puerto 1.

El tipo de MUT que se puede caracterizar utilizando un VNA varía desde materia biológica y líquidos hasta sólidos y polvos, destacando la amplia aplicabilidad del VNA como una herramienta para caracterizar las propiedades de los materiales a altas frecuencias.

Informador de la industria de procesos

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