← Retour sur la catégorie Mesure des processus et instrumentation

Mesures de matériaux RF et hyperfréquences: techniques et applications

Comment pouvons-nous différencier les types de cellules cancéreuses des cellules non cancéreuses? Quel est le temps de propagation d'un signal dans un filtre?

Quelle est l'efficacité du blindage d'un composant?

Quelle est la permittivité relative d'un substrat microruban?

Quelle est la performance d'un absorbeur de radar?

Toutes ces questions ont en commun le besoin de caractériser quantitativement les propriétés des matériaux aux fréquences RF et hyperfréquences.

Par Enrico Brinciotti, PhD, ingénieur en développement des affaires, Anritsu - Région EMEA

bty

Des questions similaires, provenant d'applications différentes, ont créé une demande constante pour mesurer avec précision les propriétés diélectriques et magnétiques des matériaux.

Dans ce scénario, l’analyseur de réseau vectoriel (VNA) représente un outil permettant des mesures rapides, précises, souvent non destructives et parfois même sans contact du matériau à tester (MUT). Au fil des ans, plusieurs méthodes ont été développées pour caractériser les propriétés diélectriques des matériaux.

Ces techniques incluent des méthodes de sonde coaxiale à extrémité ouverte, des techniques d'espace libre, des résonateurs et des méthodes de ligne de transmission.

Chaque technique a son propre domaine d'applicabilité en fonction de plusieurs facteurs, tels que la fréquence d'intérêt, la précision de mesure requise, les propriétés isotropes et d'homogénéité, la forme (poudre, liquide, solide), la taille, les exigences en termes de non destructif ou sans contact. essais et plage de température. Cet article présente une vue d'ensemble des différentes techniques basées sur la VNA, ainsi que des exemples concrets d'applications novatrices.

Propriétés diélectriques des matériaux

Les matériaux peuvent être regroupés en isolants (diélectriques), conducteurs et semi-conducteurs. Lorsqu'un matériau diélectrique est exposé à un champ électrique externe, il est polarisé. La quantité d'énergie électromagnétique qu'un matériau stocke et dissipe est mesurée par ses propriétés diélectriques et magnétiques, à savoir la permittivité électrique et la perméabilité magnétique. Les deux sont des quantités complexes.

La partie réelle de la permittivité est souvent appelée constante diélectrique. Les matériaux peuvent être divisés en dispersifs et non dispersifs, selon que leur permittivité change en fonction de la fréquence ou non, respectivement. Pour les matériaux dispersifs, il est nécessaire de quantifier leur comportement en fréquence. En conséquence, la permittivité est typiquement mesurée en fonction de la fréquence. La permittivité relative complexe, εr, est défini comme

σ = ωε '' est la conductivité électrique (S / m), j = √-1 est l'unité imaginaire, et ω = 2πf est la fréquence angulaire (rad / s). La permittivité complexe εr se compose d'une partie réelle et d'une partie imaginaire.

La vraie partie ε ' mesure la quantité d'énergie stockée dans le matériau, la partie imaginaire ε '', également connu sous le nom de facteur de perte, mesure la quantité de perte d’énergie du matériau. Le rapport de la partie imaginaire à la partie réelle de la permittivité complexe est défini comme une perte tangente (facteur de dissipation ou facteur de perte).

Il mesure la dissipation inhérente de l'énergie électromagnétique par le matériau à tester (MUT).

Techniques de mesure de matériaux à base de VNA

Plusieurs méthodes à base de VNA permettent de mesurer les propriétés électriques des matériaux, à savoir la permittivité électriqueε et perméabilité magnétique µ, de quelques kHz à THz. À partir de mesures complexes de paramètres S, la partie réelle et imaginaire deε et µ peuvent être obtenus, simultanément.

Quatre approches peuvent être identifiées: les méthodes à sonde coaxiale à extrémité ouverte, les méthodes à ligne de transmission, les techniques en espace libre et les résonateurs. Les propriétés diélectriques du MUT dépendent de la fréquence, de l'anisotropie, de l'homogénéité, de la température et d'autres paramètres. Par conséquent, la meilleure technique pour mesurer avec précision les propriétés diélectriques de tous les matériaux à toutes les fréquences et à toutes les températures n'existe pas.

La meilleure méthode à choisir dépendra de: fréquence, température, régime de perte, forme du MUT (poudre, solide, liquide, etc.), taille (film mince, grand panneau, etc.), besoins en essais de non-destructivité et possibilité de contact avec le MUT ou non. Vous trouverez ci-dessous un aperçu des quatre méthodes les plus couramment utilisées pour sonder les propriétés des matériaux aux fréquences RF et hyperfréquences.

Sonde coaxiale à extrémité ouverte

Une sonde coaxiale à extrémité ouverte est utilisée pour mesurer des matériaux à pertes à haute fréquence sur une large plage de fréquences allant de 0.5 GHz à 110 GHz. Les propriétés diélectriques sont extraites des mesures de réflexion 1-port par une sonde métallique pressée contre le MUT.

Une étape d'étalonnage est utilisée pour référencer le signal réfléchi mesuré au plan d'ouverture de la sonde. Les solides et les liquides plats sont des échantillons bien adaptés à cette technique. Pour les matériaux de faible permittivité, la méthode introduit des incertitudes et des déviations.

Mesures de matériaux RF et hyperfréquences

Figure 1. Méthode de sonde coaxiale à extrémité ouverte. (a) Croquis de la sonde avec les lignes de champ E à l'interface sonde / MUT. (b) Application de la méthode aux fréquences millimétriques aux modules Anritsu 3743A mm-ondes et avec un câble coaxial et un zoom des connecteurs 1.85 en mm (70 GHz) et 1 en mm (125 GHz).

Méthode de la ligne de transmission

Dans la méthode de la ligne de transmission, le MUT est placé à l'intérieur d'une ligne de transmission (c.-à-d. Guide d'ondes ou coaxiale). La permittivité et la perméabilité sont extraites des mesures de paramètres S de transmission et de réflexion.

La méthode est applicable aux solides et aux fluides et a une précision et une sensibilité supérieures à celles de la technique de la sonde coaxiale à extrémité ouverte. Les taux d'erreur sont <5% pour la permittivité et la perméabilité et, à des niveaux de perte suffisamment élevés, <10% pour la tangente de perte. La résolution de la tangente de perte est ± 0.01; en conséquence, les matériaux ayant tanδ <0.01 ne sont pas caractérisables.

Mesures de matériaux RF et hyperfréquences

Figure 2. Configuration de la ligne de transmission pour la mesure des matériaux. La configuration est composée d’une VNA Anritsu VectorStar ME7838E avec capacité de balayage complet de 70 kHz à 110 GHz (sortie coaxiale en mm 1), et d’un ensemble de composants de guide d’ondes couvrant la plage large bande. En bas, le zoom d'une ligne de transmission de guide d'ondes WR-19 est indiqué, le MUT étant situé à la jonction centrale.

Configurations en espace libre

Dans les configurations en espace libre, les paramètres S sont calculés entre deux antennes, l'échantillon étant placé dans la ligne de visée. A partir de l'analyse des parties réfléchies et transmises d'une onde EM qui se propage de l'espace libre dans l'échantillon, les propriétés diélectriques du MUT peuvent être extraites. Le cornet émetteur émet un faisceau gaussien collimaté via des lentilles diélectriques, limitant ainsi les contributions de diffraction des bords du MUT.

Les erreurs d’alignement sonde / échantillon, ainsi que les effets de diffraction sont des sources d’erreur courantes. La fabrication et l'alignement précis des lentilles sont nécessaires pour limiter les aberrations du front d'onde et les réflexions multiples. En conséquence, les configurations d’espace libre, en particulier pour les applications à large bande, sont assez coûteuses. La précision nette et la résolution des pertes sont similaires à celles rapportées pour la méthode de la ligne de transmission.

Mesures de matériaux RF et hyperfréquences

Configuration en espace libre pour les mesures matérielles en bande électronique

Figure 3. Configuration en espace libre pour les mesures matérielles en bande E d'un projet associant les sociétés Fraunhofer FHR, RWTH Aachen IHF et Anritsu. La configuration est composée d’un VNA Anritsu Shockline MS46522B-082 avec de petits modules source / récepteur attachés et d’un châssis de base. Les modules distants ont une interface de guide d’ondes WR-12 native et sont couplés à des antennes à cornet et à un système de lentilles conçu sur mesure. Les trois étapes d'un étalonnage TRM sont affichées, ainsi que la mesure réelle du MUT. La vidéo ci-dessous offre une démonstration de ceci:

résonateurs

Les méthodes résonantes permettent l'extraction des propriétés diélectriques à une fréquence unique ou à un ensemble de fréquences discrètes. Cela permet d’obtenir une plus grande précision - par exemple, les chiffres 4 dans la tangente à la permittivité et à la perte - et une sensibilité par rapport aux méthodes décrites précédemment.

Le MUT est placé à l'intérieur d'une cavité résonante ayant une fréquence de résonance et un facteur de qualité connus. La variation de ces dernières quantités introduites par le MUT est ainsi mesurée et la permittivité et la perméabilité sont déterminées. Les erreurs sont <1% pour la permittivité et 0.3% pour la tangente de perte. Une telle précision élevée échoue pour les matériaux à forte perte, car le pic de résonance s'élargit à mesure que la perte augmente.

Mesures de matériaux RF et hyperfréquences

Figure 4. Configuration du résonateur à cavité pour les mesures de matériaux. (a) Esquisse de l’étage du porte-échantillon montrant les supports diélectriques et les résonateurs, le plan de l’échantillon (en rouge) et les boucles de couplage. (b) et (c) montrent les résonateurs de cavité réels.

Comparaison de différentes méthodes

Chaque méthodologie a son propre domaine d’applicabilité et le meilleur choix dépend de la plage de fréquences considérée, de la précision de mesure requise, des propriétés isotropes et d’homogénéité, de la forme (poudre, liquide, solide), de la taille, des exigences en matière de protection non destructive ou non. test sans contact et plage de température. Le tableau ci-dessous résume les avantages, les domaines d'application et les limites de chaque technique.

Mesures de matériaux RF et hyperfréquences

Conclusions

L'utilisation de VNA en tant qu'outil souple et polyvalent pour caractériser de manière précise et quantitative les propriétés des matériaux, telles que la permittivité électrique et la perméabilité magnétique, de quelques kHz à la plage THz, a été examinée. Différentes méthodes ont été présentées pour extraire la permittivité et la perméabilité du MUT à partir de mesures de paramètres S de ports 2 ou 1.

Le type de MUT pouvant être caractérisé à l'aide d'un VNA varie de la matière biologique aux liquides en passant par les solides et les poudres, soulignant ainsi la large applicabilité du VNA en tant qu'outil permettant de caractériser les propriétés des matériaux à haute fréquence.

Industrie de process Informer

nouvelles connexes

Laisser un commentaire

Votre adresse email ne sera pas publié. Les champs obligatoires sont marqués *

Ce site utilise Akismet pour réduire les spams. Découvrez comment vos données de commentaire sont traitées.