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Medições de Material de RF e Microondas: Técnicas e Aplicações

â € <Como podemos diferenciar tipos de células cancerígenas de não cancerosas? Qual é o tempo de propagação de um sinal dentro de um filtro?

Qual é a eficácia da blindagem de um componente?

Qual é a permissividade relativa de um substrato de microfita?

Qual é o desempenho de um absorvedor de radar?

O que todas essas questões têm em comum é a necessidade de caracterizar quantitativamente as propriedades do material nas freqüências de RF e microondas.

Por Enrico Brinciotti, PhD, Engenheiro de Desenvolvimento de Negócios, Anritsu - Região EMEA

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Questões semelhantes, provenientes de diferentes aplicações, criaram uma demanda contínua para medir com precisão as propriedades dielétricas e magnéticas dos materiais.

Neste cenário, o Vector Network Analyzer (VNA), representa uma ferramenta que permite medições rápidas, precisas, muitas vezes não-destrutivas e às vezes até sem contato, do Material Under Test (MUT). Ao longo dos anos, vários métodos foram desenvolvidos para caracterizar as propriedades dielétricas dos materiais.

Essas técnicas incluem métodos de sonda coaxial de extremidade aberta, técnicas de espaço livre, ressonadores e métodos de linha de transmissão.

Cada técnica tem seu próprio campo de aplicabilidade dependendo de vários fatores, como frequência de interesse, precisão de medição necessária, propriedades isotrópicas e de homogeneidade, forma (ou seja, pó, líquido, sólido), tamanho, requisitos em termos de não destrutivos ou sem contato. teste e faixa de temperatura. Este artigo apresenta uma visão geral das diferentes técnicas baseadas em VNA, junto com alguns exemplos reais de novos aplicativos.

Propriedades dielétricas de materiais

Os materiais podem ser agrupados em isoladores (ou seja, dielétricos), condutores e semicondutores. Quando um material dielétrico é exposto a um campo elétrico externo, ele será polarizado. A quantidade de energia eletromagnética que um material armazena e dissipa é medida por suas propriedades dielétricas e magnéticas, ou seja, permissividade elétrica e permeabilidade magnética. Ambos são quantidades complexas.

A parte real da permissividade é muitas vezes referida como constante dielétrica. Os materiais podem ser divididos em dispersivos e não dispersivos, dependendo se a sua permissividade muda em função da freqüência ou não, respectivamente. Para materiais dispersivos, é necessário quantificar seu comportamento de frequência. Por conseguinte, a permissividade é tipicamente medida como uma função da frequência. A permissividade relativa complexa, εr, é definido como

onde σ = ωε '' é a condutividade elétrica (S / m), j = √-1 é a unidade imaginária e ω = 2πf é a frequência angular (rad / s). A permissividade complexa εr consiste em uma parte real e uma parte imaginária.

A parte real ε ' mede a quantidade de energia armazenada no material, a parte imaginária ε '', também conhecido como fator de perda, mede a quantidade de perda de energia do material. A relação entre a parte imaginária e a parte real da permissividade complexa é definida como tangente de perda (fator de dissipação ou fator de perda)

Mede a dissipação inerente de energia eletromagnética pelo Material Under Test (MUT).

Técnicas de medição de materiais baseadas em VNA

Existem vários métodos baseados em VNA que permitem medir as propriedades elétricas dos materiais, ou seja, a permissividade elétricaε permeabilidade magnética µ, de poucos kHz até THz. De medições complexas de parâmetros S, a parte real e imaginária daε e µ pode ser obtido simultaneamente.

Quatro abordagens podem ser identificadas: métodos de sonda coaxial de extremidade aberta, métodos de linha de transmissão, técnicas de espaço livre e ressonadores. As propriedades dielétricas do MUT dependem da frequência, anisotropia, homogeneidade, temperatura e outros parâmetros. Consequentemente, não existe a melhor técnica para medir com precisão as propriedades dielétricas de todos os materiais em todas as freqüências e temperaturas.

O melhor método para escolher dependerá de: frequência, temperatura, regime de perda, forma MUT (pó, sólido, líquido, etc.), tamanho (filme fino, painel grande, etc.), necessidades de teste de não destrutividade e possibilidade de entre em contato com o MUT ou não. O que se segue é uma visão geral dos quatro métodos mais utilizados para sondar as propriedades dos materiais nas frequências de RF e microondas.

Sonda coaxial de ponta aberta

Uma sonda coaxial de extremidade aberta é usada para medir materiais com perdas em altas freqüências em uma ampla faixa de freqüência de 0.5 GHz a 110 GHz. As propriedades dielétricas são extraídas das medições de reflexão da porta 1 através de uma sonda metálica pressionada contra o MUT.

Um passo de calibração é usado para referenciar o sinal refletido medido no plano de abertura da sonda. Sólidos planos e líquidos são amostras bem adaptadas para esta técnica. Para materiais com baixa permissividade, o método introduz algumas incertezas e deflexões.

Medições de Material de RF e Microondas

Figura 1. Método de sonda coaxial de extremidade aberta. (a) Esboço da sonda com linhas de campo-E na interface da sonda / MUT. (b) Aplicação do método em frequências de onda-mm usando módulos Anritsu 3743A mm-Wave e com um cabo coaxial e zoom de conectores 1.85 mm (70 GHz) e 1 mm (125 GHz).

Método de linha de transmissão

No método da linha de transmissão, o MUT é colocado dentro de uma linha de transmissão (ou seja, guia de ondas ou coaxial). Permissividade e permeabilidade são extraídas das medições dos parâmetros S de transmissão e reflexão.

O método é aplicável a sólidos e fluidos, e tem maior precisão e sensibilidade do que a técnica de sonda coaxial de extremidade aberta. As taxas de erro são <5% para a permissividade e permeabilidade e, em níveis de perda suficientemente altos, <10% para a tangente de perda. A resolução da tangente de perda é ± 0.01; consequentemente, materiais com tanδ <0.01 não são caracterizáveis.

Medições de Material de RF e Microondas

Figura 2. Configuração da linha de transmissão para medições de materiais. A configuração é composta de um VST Anritsu VectorStar ME7838E VNA com 70 kHz para 110 GHz (saída coaxial 1 mm), e um conjunto de componentes de guia de onda, cobrindo a faixa de banda larga. Na parte inferior, é mostrado um zoom de uma linha de transmissão de guia de ondas WR-19, com o MUT localizado na junção central.

Configurações de espaço livre

Nas configurações de espaço livre, os parâmetros S são calculados entre duas antenas com a amostra colocada na linha de visão. A partir da análise das porções refletidas e transmitidas de uma onda EM que se propaga do espaço livre para a amostra, as propriedades dielétricas do MUT podem ser extraídas. O chifre transmissor irradia um feixe gaussiano colimado através de lentes dielétricas, limitando assim as contribuições de difração das bordas do MUT.

Fontes comuns de erro são desalinhamentos de sonda / amostra, assim como efeitos de difração. O fabrico e o alinhamento precisos das lentes são necessários para limitar as aberrações da frente das ondas e as múltiplas reflexões. Por conseguinte, as configurações de espaço livre, especialmente para aplicações de banda larga, são bastante caras. As precisões líquidas e as resoluções de perda são semelhantes àquelas relatadas para o método de linha de transmissão.

Medições de Material de RF e Microondas

Configuração de espaço livre para medições de material da banda E

Figura 3. Configuração de espaço livre para medições de material da banda E de um projeto envolvendo Fraunhofer FHR, RWTH Aachen IHF e Anritsu. A configuração é composta de um VNA MS46522B-082 Anritsu Shockline com pequenos módulos de fonte / receptor conectados e um chassi de base. Os módulos remotos têm interface de guia de ondas WR-12 nativa e são acoplados a antenas de corneta e um sistema de lente de design personalizado. As três etapas de uma calibração TRM são mostradas, junto com a medição real do MUT. O vídeo abaixo oferece uma demonstração disso:

ressonadores

Os métodos ressonantes permitem a extração de propriedades dielétricas em uma única freqüência ou em um conjunto de freqüências discretas. Isto permite alcançar maior precisão - por exemplo, dígitos 4 na permissividade e tangente de perda - e sensibilidade em relação aos métodos descritos anteriormente.

O MUT é colocado dentro de uma cavidade ressonante com freqüência de ressonância conhecida e fator de qualidade. A mudança nas últimas quantidades introduzidas pelo MUT é assim medida, e a permissividade e permeabilidade são determinadas. Erros são <1% para a permissividade e 0.3% para a tangente de perda. Tal alta precisão falha para materiais de alta perda, porque o pico ressonante aumenta à medida que a perda aumenta.

Medições de Material de RF e Microondas

Figura 4. Configuração do ressonador de cavidades para medições de materiais. (a) Esboço do estágio do porta-amostras, mostrando os suportes e ressonadores dielétricos, o plano da amostra (vermelho) e as alças de acoplamento. (b) e (c) mostram os ressonadores reais da cavidade.

Comparação de diferentes métodos

Cada metodologia tem seu próprio campo de aplicabilidade e a melhor escolha depende de: faixa de frequência de interesse, exatidão de medição requerida, propriedades isotrópicas e de homogeneidade, forma (ou seja, pó, líquido, sólido), tamanho, requisitos em termos não destrutivos ou teste sem contato e faixa de temperatura. A tabela abaixo resume as vantagens, os campos de aplicabilidade e as limitações de cada técnica.

Medições de Material de RF e Microondas

Conclusões

O uso do VNA como uma ferramenta flexível e versátil para caracterizar de forma precisa e quantitativa as propriedades dos materiais, como permissividade elétrica e permeabilidade magnética, de poucos kHz até a faixa THz, tem sido discutido. Diferentes métodos foram apresentados para extrair permissividade e permeabilidade do MUT a partir de portas 2 ou de parâmetros S da porta 1.

O tipo de MUT que pode ser caracterizado usando um VNA varia de matéria biológica e líquidos a sólidos e pós, destacando a ampla aplicabilidade do VNA como uma ferramenta para caracterizar propriedades de materiais em altas freqüências.

Informador de Indústria de Processos

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