CZ2022253A3 - A method to determine complex permittivity - Google Patents

A method to determine complex permittivity Download PDF

Info

Publication number
CZ2022253A3
CZ2022253A3 CZ2022-253A CZ2022253A CZ2022253A3 CZ 2022253 A3 CZ2022253 A3 CZ 2022253A3 CZ 2022253 A CZ2022253 A CZ 2022253A CZ 2022253 A3 CZ2022253 A3 CZ 2022253A3
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
sample
transmission line
permittivity
section
calibration
Prior art date
Application number
CZ2022-253A
Other languages
Czech (cs)
Other versions
CZ309946B6 (en
Inventor
Michal Cifra
Cifra Michal Ing., Ph.D.
Petr KĹŻrka
Petr Bc. Kůrka
Daniel HAVELKA
Havelka Daniel Ing., Ph.D.
Jaroslav HavlĂ­ÄŤek
Havlíček Jaroslav Ing., Ph.D.
Original Assignee
Ăšstav fotoniky a elektroniky AV ÄŚR, v. v. i.
Ústav Fotoniky A Elektroniky Av Čr, V. V. I.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ăšstav fotoniky a elektroniky AV ÄŚR, v. v. i., Ústav Fotoniky A Elektroniky Av Čr, V. V. I. filed Critical Ăšstav fotoniky a elektroniky AV ÄŚR, v. v. i.
Priority to CZ2022-253A priority Critical patent/CZ2022253A3/en
Publication of CZ309946B6 publication Critical patent/CZ309946B6/en
Publication of CZ2022253A3 publication Critical patent/CZ2022253A3/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2617Measuring dielectric properties, e.g. constants
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Abstract

Předkládané řešení poskytuje způsob stanovení komplexní permitivity měřeného vzorku, který obsahuje kroky: a) určení komplexní permitivity kalibračních vzorků a dielektrického substrátu přenosového vedení; b) aplikace alespoň dvou kalibračních vzorků na úsek přenosového vedení obsahujícího dielektrický substrát, na němž jsou naneseny elektrické vodiče; c) změření rozptylových parametrů přenosového vedení pro každý kalibrační vzorek pomocí obvodového analyzátoru; d) určení konstanty šíření a charakteristické impedance v úseku přenosového vedení se vzorkem pro jeden kalibrační vzorek pomocí numerického simulátoru elektromagnetického pole; e) určení konstanty šíření v úseku přenosového vedení se vzorkem pro druhý kalibrační vzorek pomocí stopové rovnice; f) poskytnutí koeficientů tvaru pole a ; g) aplikace měřeného vzorku na stejné přenosové vedení; h) změření rozptylových parametrů přenosového vedení s měřeným vzorkem pomocí obvodového analyzátoru; i) určení konstanty šíření v úseku přenosového vedení s měřeným vzorkem pomocí stopové rovnice a výběr správných řešení stopové rovnice pomocí heuristického algoritmu; j) výpočet komplexní permitivity měřeného vzorku naměřených a vypočtených parametrů.The presented solution provides a method of determining the complex permittivity of the measured sample, which includes the following steps: a) determination of the complex permittivity of the calibration samples and the dielectric substrate of the transmission line; b) applying at least two calibration samples to a section of a transmission line containing a dielectric substrate on which electrical conductors are applied; c) measuring the dispersion parameters of the transmission line for each calibration sample using a circuit analyzer; d) determination of propagation constant and characteristic impedance in the transmission line section with the sample for one calibration sample using a numerical electromagnetic field simulator; e) determining the propagation constant in the section of the transmission line with the sample for the second calibration sample using the trace equation; f) providing field shape coefficients and ; g) application of the measured sample to the same transmission line; h) measurement of dispersion parameters of the transmission line with the measured sample using a circuit analyzer; i) determining the propagation constant in the section of the transmission line with the measured sample using the trace equation and selecting the correct solutions of the trace equation using a heuristic algorithm; j) calculation of the complex permittivity of the measured sample of the measured and calculated parameters.

Description

Způsob stanovení komplexní permitivityThe method of determining the complex permittivity

Oblast technikyField of technology

Vynález se týká způsobu stanovení širokopásmové komplexní permitivity vzorků. Stanovení komplexní permitivity materiálů je důležité pro vývoj elektromagnetických technologií, jako bezdrátové komunikace, radarů, či pro určení elektromagnetických vlastností biomolekul a buněk.The invention relates to a method of determining the broadband complex permittivity of samples. Determining the complex permittivity of materials is important for the development of electromagnetic technologies, such as wireless communication, radars, or for determining the electromagnetic properties of biomolecules and cells.

Dosavadní stav technikyCurrent state of the art

Znalost elektromagnetických vlastností biomolekul je důležitá pro pochopení interakce elektrických polí s biosystémy a pro vývoj nových biomedicínských diagnostických a terapeutických metod. Elektromagnetická pole na rádiových a mikrovlnných frekvencích interagují s biologickými systémy zejména prostřednictvím elektrické složky pole. Stanovení permitivity biomolekul je tedy zásadní pro určení elektromagnetických vlastností proteinů, buněk i celých organismů. Rozvoji v této oblasti však brání velké objemy vzorků potřebné pro určení permitivity.Knowledge of the electromagnetic properties of biomolecules is important for understanding the interaction of electric fields with biosystems and for the development of new biomedical diagnostic and therapeutic methods. Electromagnetic fields at radio and microwave frequencies interact with biological systems mainly through the electric component of the field. Determining the permittivity of biomolecules is thus essential for determining the electromagnetic properties of proteins, cells and whole organisms. However, development in this area is hindered by the large sample volumes required for permittivity determination.

Permitivita je mírou elektrické polarizovatelnosti dielektrika. Materiál mající vysokou permitivitu se v aplikovaném elektrickém poli polarizuje více než materiál s nízkou permitivitou. Na permitivitu lze hledět také jako na termodynamickou stavovou funkci, která může záviset na frekvenci, magnitudě a směru aplikovaného pole. Jednotkou SI permitivity je farad na metr (F/m).Permittivity is a measure of the electrical polarizability of a dielectric. A material having a high permittivity becomes more polarized in an applied electric field than a material with a low permittivity. Permittivity can also be viewed as a thermodynamic state function that can depend on the frequency, magnitude, and direction of the applied field. The SI unit of permittivity is the farad per meter (F/m).

Odpověď reálných materiál na aplikované elektrické pole obecně závisí na frekvenci pole. Tato závislost odráží skutečnost, že polarizace materiálu se nezmění okamžitě při aplikaci elektrického pole, ale mění se postupně (tj. se zpožděním), a až po jeho aplikaci. Polarizace materiálu je tedy fázově zpožděná. Z toho důvodu se permitivita často uvažuje a vyjadřuje jako vektorově, jako komplexní funkce kruhového kmitočtu aplikovaného pole. Reálná část této funkce odpovídá polarizaci, a komplexní část odpovídá fázovému zpoždění.The response of real materials to an applied electric field generally depends on the frequency of the field. This dependence reflects the fact that the polarization of the material does not change immediately when an electric field is applied, but changes gradually (ie with a delay) and only after its application. Thus, the polarization of the material is phase-delayed. For that reason, permittivity is often considered and expressed as a vector, as a complex function of the circular frequency of the applied field. The real part of this function corresponds to the polarization, and the complex part corresponds to the phase delay.

V současné době existuje několik typů metod pro stanovení komplexní permitivity. Metody využívající koaxiální sondu jsou většinou nedestruktivní, snadno proveditelné, dovolují měření v širokém frekvenčním rozsahu 0,2 až 50 GHz. Na druhou stranu však vyžadují poměrně velký objem vzorku, vzorek musí homogenní a izotropní, a je velmi problematické měřit pevné vzorky, rovněž se nedaří dosahovat vysoké přesnosti. Metody postavené na měření ve volném prostoru jsou bezkontaktní, a tedy nedestruktivní, frekvenční rozsah může sahat až do 325 GHz, ale jsou drahé a komplikované na provedení a při nižších frekvencích jsou potřeba velmi velké objemy vzorků. Metody využívající rezonanční dutiny jsou přesnější a spokojí se s menším objemem vzorků, ale nejsou vhodné pro materiály s vysokou ztrátou a poskytují výsledky pouze pro jedinou frekvenci. Metody využívající přenosového vedení jsou ekonomicky výhodné, pracují v širokém frekvenčním rozmezí 0,1 až 110 GHz, dovolují měřit i magnetické materiály, a pro měření je potřeba pouze malé množství vzorku. V metodách využívajících přenosového vedení je potřeba přesný tvar vzorku, a pro nízké frekvence je potřeba větší množství vzorku.Currently, there are several types of methods for determining complex permittivity. Methods using a coaxial probe are mostly non-destructive, easy to implement, and allow measurements in a wide frequency range of 0.2 to 50 GHz. On the other hand, however, they require a relatively large sample volume, the sample must be homogeneous and isotropic, and it is very problematic to measure solid samples, and high accuracy cannot be achieved either. Methods based on free-space measurements are non-contact and therefore non-destructive, the frequency range can reach up to 325 GHz, but they are expensive and complicated to implement, and very large sample volumes are needed at lower frequencies. Methods using resonant cavities are more accurate and are satisfied with smaller sample volumes, but are not suitable for high-loss materials and only provide results for a single frequency. Methods using a transmission line are economically advantageous, work in a wide frequency range of 0.1 to 110 GHz, allow measuring even magnetic materials, and only a small amount of sample is needed for measurement. In transmission line methods, a precise sample shape is needed, and for low frequencies, a larger amount of sample is needed.

Různá provedení metod využívajících přenosového vedení jsou popsána například v US 20190377054, kde je ale horní využitelná frekvence jen 5 GHz; a v publikacích Bao Xiue et al., IEEE Microwave and Wireless Components Letters 28, No. 4 (2018), 356-58 a Liu Song et al., IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 65, no. 12 (2017): 5063-73, kde je nutné využití mikrofluidického kanálu, a metoda měření není ani v jednom článku přesně popsaná.Different implementations of methods using a transmission line are described, for example, in US 20190377054, where, however, the upper usable frequency is only 5 GHz; and in Bao Xiue et al., IEEE Microwave and Wireless Components Letters 28, No. 4 (2018), 356-58 and Liu Song et al., IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 65, no. 12 (2017): 5063-73, where the use of a microfluidic channel is necessary, and the measurement method is not precisely described in either article.

- 1 CZ 2022 - 253 A3- 1 CZ 2022 - 253 A3

Podstata vynálezuThe essence of the invention

Předmětem předkládaného vynálezu je způsob stanovení komplexní permitivity měřeného vzorku, který obsahuje kroky:The subject of the present invention is a method of determining the complex permittivity of a measured sample, which includes the following steps:

a) určení komplexní permitivity kalibračních vzorků a dielektrického substrátu přenosového vedení;a) determination of the complex permittivity of the calibration samples and the dielectric substrate of the transmission line;

b) aplikace alespoň dvou kalibračních vzorků na úsek přenosového vedení obsahujícího dielektrický substrát, na němž jsou naneseny elektrické vodiče;b) applying at least two calibration samples to a section of a transmission line containing a dielectric substrate on which electrical conductors are applied;

c) změření rozptylových parametrů přenosového vedení pro každý kalibrační vzorek pomocí obvodového analyzátoru;c) measuring the dispersion parameters of the transmission line for each calibration sample using a circuit analyzer;

d) určení konstanty šíření a charakteristické impedance v úseku přenosového vedení se vzorkem pro jeden kalibrační vzorek pomocí numerického simulátoru elektromagnetického pole;d) determination of propagation constant and characteristic impedance in the transmission line section with the sample for one calibration sample using a numerical electromagnetic field simulator;

e) určení konstanty šíření v úseku přenosového vedení se vzorkem pro druhý kalibrační vzorek pomocí stopové rovnice;e) determining the propagation constant in the section of the transmission line with the sample for the second calibration sample using the trace equation;

f) poskytnutí koeficientů tvaru pole Ka a Kb, s výhodou určení koeficientů tvaru pole Ka&Kb z konstant šíření kalibračních vzorků a komplexní permitivity kalibračních vzorků a dielektrického substrátu přenosového vedení pomocí rovnic yf - y2 2 A ΙωΖ^-^y K YÁia - YiĚ2A kde yi je konstanta šíření v úseku přenosového vedení s prvním kalibračním vzorkem, w je konstanta šíření v úseku přenosového vedení s druhým kalibračním vzorkem, j je imaginární číslo (f= -1), ω je úhlová frekvence (2π/), f je frekvence elektromagnetického pole, ZRL=yi Zi, kde Zi je charakteristická impedance přenosového vedení, 1 je permitivita prvního ř* f* kalibračního vzorku, 2 je permitivita druhého kalibračního vzorku a s je permitivita dielektrického substrátu;f) providing the field shape coefficients Ka and Kb, with the advantage of determining the field shape coefficients Ka&Kb from the propagation constants of the calibration samples and the complex permittivity of the calibration samples and the dielectric substrate of the transmission line using the equations yf - y 2 2 A ΙωΖ^-^y K YÁia - Yi Ě 2A where yi is the propagation constant in the section of the transmission line with the first calibration sample, w is the propagation constant in the section of the transmission line with the second calibration sample, j is an imaginary number (f= -1), ω is the angular frequency (2π/), f is electromagnetic field frequency, ZRL=yi Zi, where Zi is the characteristic impedance of the transmission line, 1 is the permittivity of the first ř* f* calibration sample, 2 is the permittivity of the second calibration sample and s is the permittivity of the dielectric substrate;

g) aplikace měřeného vzorku na stejné přenosové vedení;g) application of the measured sample to the same transmission line;

h) změření rozptylových parametrů přenosového vedení s měřeným vzorkem pomocí obvodového analyzátoru;h) measurement of dispersion parameters of the transmission line with the measured sample using a circuit analyzer;

i) určení konstanty šíření v úseku přenosového vedení s měřeným vzorkem pomocí stopové rovnice a výběr správných řešení stopové rovnice pomocí heuristického algoritmu;i) determination of the propagation constant in the section of the transmission line with the measured sample using the trace equation and selection of correct solutions of the trace equation using a heuristic algorithm;

Z-*OF-*

j) výpočet komplexní permitivity měřeného vzorku u z konstanty šíření v úseku přenosového vedení s měřeným vzorkem, z konstanty šíření v úseku přenosového vedení s jedním kalibračním vzorkem a z koeficientů tvaru pole pomocí rovnicej) calculation of the complex permittivity of the measured sample u from the propagation constant in the section of the transmission line with the measured sample, from the propagation constant in the section of the transmission line with one calibration sample and from the field shape coefficients using the equation

-2CZ 2022 - 253 A3 ___________Ml'______-2CZ 2022 - 253 A3 ___________Ml'______

KA kde Ka a Kb jsou koeficienty tvaru elektrického pole, yi je konstanta šíření v úseku přenosového vedení s jedním kalibračním vzorkem, yu je konstanta šíření v úseku přenosového vedení s měřeným vzorkem, 1 je permitivita jednoho kalibračního vzorku a s je permitivita dielektrického substrátu.K A where Ka and Kb are the coefficients of the shape of the electric field, yi is the propagation constant in the section of the transmission line with one calibration sample, yu is the propagation constant in the section of the transmission line with the measured sample, 1 is the permittivity of one calibration sample and s is the permittivity of the dielectric substrate.

Předkládaný vynález tedy poskytuje novou metodu pro získání komplexní permitivity ve frekvenčním pásmu 1,5 GHz až 50 GHz (tj. širokopásmové komplexní permitivity) založené na přenosovém vedení, s výhodou na zemněném koplanámím vlnovodu. Hlavní výhodou této metody je možnost měřit dielektrické vlastnosti extrémně malých objemů vzorků (řádově stovky μΐ), přibližně 20-krát menších než u dosud komerčně dostupných metod. Další výhodou je, že metoda nevyžaduje použití mikrofluidického kanálu. Přesnost stanovení komplexní permitivity je srovnatelná se stávajícími komerčně využívanými metodami. Metoda funguje nezávisle na výrobci obvodového analyzátoru.Thus, the present invention provides a new method for obtaining complex permittivity in the frequency band of 1.5 GHz to 50 GHz (ie broadband complex permittivity) based on a transmission line, preferably a grounded coplanar waveguide. The main advantage of this method is the possibility to measure the dielectric properties of extremely small volumes of samples (on the order of hundreds of μΐ), approximately 20 times smaller than with commercially available methods. Another advantage is that the method does not require the use of a microfluidic channel. The accuracy of determining complex permittivity is comparable to existing commercially used methods. The method works independently of the manufacturer of the circuit analyzer.

Kalibrační i měřené vzorky se aplikují na stejný úsek stejného přenosového vedení. Výhodou je, že nezávisí na skupenství vzorku, vzorek může být plynný, kapalný i pevnolátkový.Both calibration and measured samples are applied to the same section of the same transmission line. The advantage is that it does not depend on the state of the sample, the sample can be gaseous, liquid or solid.

Přenosové vedení je definováno jako struktura umožňující šíření elektromagnetické vlny. Přenosové vedení se skládá z planámího dielektrického substrátu, středního vodiče a alespoň dvou zemnicích vodičů, přičemž střední vodič a zemnicí vodiče jsou s výhodou umístěné v jedné rovině (tj. koplanámí přenosové vedení) na jedné straně dielektrického substrátu. S výhodou je přenosové vedení zemněné umístěním dalšího zemnícího vodiče na druhou stranu dielektrického substrátu. Stranami dielektrického substrátu se zde rozumí protilehlé povrchy dielektrického substrátu.A transmission line is defined as a structure that allows the propagation of an electromagnetic wave. The transmission line consists of a planar dielectric substrate, a center conductor and at least two ground conductors, the center conductor and the ground conductors being preferably located in one plane (i.e. co-planar transmission line) on one side of the dielectric substrate. Preferably, the transmission line is grounded by placing an additional grounding conductor on the other side of the dielectric substrate. The sides of the dielectric substrate here mean the opposite surfaces of the dielectric substrate.

Následující text popisuje výhodná provedení jednotlivých kroků způsobu podle vynálezu.The following text describes advantageous embodiments of the individual steps of the method according to the invention.

V krocích a) až e) se určí hodnoty čtyř vstupů pro kalibraci metody. Tyto hodnoty se určí ve frekvenčním pásmu alespoň 1,5 GHz až 50 GHz.In steps a) to e), the values of the four inputs for method calibration are determined. These values shall be determined in a frequency band of at least 1.5 GHz to 50 GHz.

* ** *

Prvním vstupem je és komplexní permitivita dielektrického substrátu a komplexní permitivita 6* f- * kalibračních vzorků, označena dle jejich pořadí jako 1 , 2 , atd.The first input is the és complex permittivity of the dielectric substrate and the complex permittivity 6* f- * of the calibration samples, labeled according to their order as 1 , 2 , etc.

Komplexní permitivita je definována jako e — G + JG , kde je její reálná složka a Ěi je její .2 imaginární složka a j je imaginární číslo tj. J . Hodnoty komplexní permitivity se určí z referenčních měření, například koaxiální sondou, anebo z hodnot z literatury.Complex permittivity is defined as e — G + JG , where is its real component and Ěi is its .2 imaginary component and aj is an imaginary number, i.e. J . Complex permittivity values are determined from reference measurements, for example with a coaxial probe, or from values from the literature.

Druhým vstupem jsou rozptylové parametry (scattering parameters, S-parametry) pro všechny kalibrační vzorky. Hodnoty rozptylových parametrů se změří pomocí obvodového analyzátoru ve frekvenčním pásmu alespoň 1,5 GHz až 50 GHz. Obvodový analyzátor je běžně dostupné zařízení, které měří velikost i fázi komplexních obvodových veličin, včetně rozptylových parametrů. Základními stavebními prvky obvodového analyzátoru jsou zdroj, mikrovlnná sestava (směrové vazební členy, můstky, vzorkující přijímače a směšovače) a analyzátor.The second input is the scattering parameters (S-parameters) for all calibration samples. The values of the scattering parameters are measured using a circuit analyzer in the frequency range of at least 1.5 GHz to 50 GHz. A circuit analyzer is a commonly available device that measures the magnitude and phase of complex circuit quantities, including stray parameters. The basic structural elements of a circuit analyzer are a source, a microwave assembly (directional coupling elements, bridges, sampling receivers and mixers) and an analyzer.

Rozptylové parametry jsou bezrozměrné parametry a jsou definovány pomocí napěťových vln. Rozptylové parametry jsou vždy definovány u přenosového vedení mezi dvěma referenčními rovinami (na vstupu a výstupu vedení), které jsou kolmé ke směru šíření vlny po vedení. Pozice referenčních rovin na směru šíření vlny je definována vzdálenosti podél směru šíření vlny. Brány zařízení, včetně směru šíření vlny, jsou definovány jako všechny vstupy a výstupy zařízení. ProScatter parameters are dimensionless parameters and are defined using voltage waves. Dispersion parameters are always defined for a transmission line between two reference planes (at the input and output of the line) that are perpendicular to the direction of wave propagation along the line. The position of the reference planes in the direction of wave propagation is defined by the distance along the direction of wave propagation. Device gates, including the direction of wave propagation, are defined as all device inputs and outputs. For

-3 CZ 2022 - 253 A3 přenosové vedení, které spadá do kategorie dvoubranových zařízení, jsou definovány rozptylové parametry pomocí napěťových vln al a a2, které dopadají na první a druhou bránu vedení a napěťových vln bl a b2, které se odráží od první a druhé brány vedení. Každý z rozptylových parametrů Sil, S12, S21, S22 je komplexní číslo a jsou definovány ve vztahu s napěťovými vlnami rovnicí (1) bl\ = (Sil S12x Z«/\ b21 ~ 8S21 S22) LzJ (1)-3 CZ 2022 - 253 A3 transmission line, which falls into the category of two-gate devices, the dispersion parameters are defined using voltage waves al and a2, which fall on the first and second gates of the line and voltage waves bl and b2, which are reflected from the first and second management gates. Each of the dispersion parameters Sil, S12, S21, S22 is a complex number and is defined in relation to voltage waves by the equation (1) bl\ = (Sil S12x Z«/\ b21 ~ 8S21 S22) LzJ (1)

V tomto kroku je obrovskou výhodou, že nezáleží, v které vzdálenosti od vzorku se zvolí referenční roviny. Stačí, když budou pro měření rozptylových parametrů všech vzorků zvoleny stejně.A huge advantage in this step is that it does not matter at what distance from the sample the reference planes are chosen. It is enough if they are chosen the same for measuring the scattering parameters of all samples.

Dále je určena hodnota třetího vstupu, kterým jsou rozptylové parametry na referenčních rovinách vymezujících pouze úsek přenosového vedení s prvním kalibračním vzorkem. Tento vstup se získá pomocí numerického simulátoru elektromagnetického pole. Numerický simulátor je počítačový program, který numericky vypočte rozložení a šíření elektromagnetického pole v objektu skrze jeho prostorovou diskretizaci. Numerické simulátory jsou běžně dostupné, příklady jsou CST MicrowaveFurthermore, the value of the third input is determined, which are the scattering parameters on the reference planes defining only the section of the transmission line with the first calibration sample. This input is obtained using a numerical electromagnetic field simulator. A numerical simulator is a computer program that numerically calculates the distribution and propagation of an electromagnetic field in an object through its spatial discretization. Numerical simulators are commonly available, examples are CST Microwave

Studio, COMSOL Multiphysics, ANSYS HFSS. Vstupem pro numerický simulátor jsou rozměry a materiálové vlastnosti (dielektrická permitivita a elektrická vodivost) všech částí přenosového vedení. Z hodnot rozptylových parametrů se určí hodnota konstanty šíření vlny v úseku vedení s prvním kalibračním vzorkem. Konstanta šíření y je definována jako Y ~ α+ίβ , kde a [1/m] popisuje útlum vlny a β [1/m] fázovou rychlost šíření vlny na vedení. Hodnota konstanty šíření vlny v úseku vedení s prvním kalibračním vzorkem, označená jako yi, se určí z rovnic (2), (3), (4)·.Studio, COMSOL Multiphysics, ANSYS HFSS. The input for the numerical simulator is the dimensions and material properties (dielectric permittivity and electrical conductivity) of all parts of the transmission line. The value of the wave propagation constant in the line section with the first calibration sample is determined from the values of the scattering parameters. The propagation constant y is defined as Y ~ α +ίβ , where a [1/m] describes the wave attenuation and β [1/m] the phase velocity of wave propagation on the line. The value of the wave propagation constant in the section of the line with the first calibration sample, denoted as yi, is determined from equations (2), (3), (4)·.

cosh-J (ýA · D) n=----;---- (2) kde Z je délka úseku přenosového vedení s prvním kalibračním vzorkem a kde parametry A, D se získají z rozptylových parametrů Sil, S12, S21, S22jako:cosh -J (ýA · D) n=----;---- (2) where Z is the length of the transmission line section with the first calibration sample and where the parameters A, D are obtained from the dispersion parameters Sil, S12, S21, S22 as:

(/ + ^)-(/-^) + ¾¾(/ + ^)-(/-^) + ¾¾

2S„ (3) (/-^7)-(/+^2)+¾¾2S„ (3) (/-^7)-(/+^2)+¾¾

2S?1 (4)2S ?1 (4)

Dále se určí hodnota čtvrtého vstupu, kterým je Zi - charakteristická impedance úseku přenosového vedení s prvním kalibračním vzorkem. Charakteristická impedance je definována jako podíl napětí a proudu šířících se na vedení. Hodnota charakteristické impedance se určí z numerického simulátoru, kde se hodnota napětí získá numerickou integrací elektrického pole a hodnota proudu numerickou integrací magnetického pole.Next, the value of the fourth input is determined, which is Zi - the characteristic impedance of the section of the transmission line with the first calibration sample. Characteristic impedance is defined as the ratio of voltage and current spread on the line. The characteristic impedance value is determined from a numerical simulator where the voltage value is obtained by numerical integration of the electric field and the current value is obtained by numerical integration of the magnetic field.

Výhoda dalších kroků je, že pro získání všech konstant šíření a dalších výsledků již není potřeba využití numerického simulátoru elektromagnetického pole.The advantage of the next steps is that it is no longer necessary to use a numerical simulator of the electromagnetic field to obtain all propagation constants and other results.

-4CZ 2022 - 253 A3-4CZ 2022 - 253 A3

Dále se získá konstanta šíření y2 na přenosovém vedení s druhým kalibračním vzorkem pomocí stopové rovnice (5)Next, the propagation constant y 2 on the transmission line with the second calibration sample is obtained using trace equation (5)

Tr{M2 · Aíý7} = 2 · cosh(y7 · l) cosh(y2 · 0 — + · sinh(y7 · l) sinh(y2 · l), (5) kde yi je konstanta šíření na přenosovém vedení s prvním kalibračním vzorkem, l je délka úseku přenosového vedení s prvním kalibračním vzorkem, Tr značí stopový operátor, M2 je matice z měření s druhým kalibračním vzorkem, Mi je matice z měření s prvním kalibračním vzorkem, které se získají z naměřených rozptylových parametrů rovnicemi (6), (7), (8), (9), (10) t — $22 *12 — č—' ύ21 (8) T _ $11 *21 7 7 ύ21 (9) _ ^12^21 $11^22 i 21 — ř >Tr{M 2 · Aíý 7 } = 2 · cosh(y 7 · l) cosh(y 2 · 0 — + · sinh(y 7 · l) sinh(y 2 · l), (5) where yi is the propagation constant on the transmission line with the first calibration sample, l is the length of the section of the transmission line with the first calibration sample, Tr denotes the trace operator, M 2 is the matrix from the measurement with the second calibration sample, Mi is the matrix from the measurement with the first calibration sample, which are obtained from the measured of scattering parameters by equations (6), (7), (8), (9), (10) t — $ 22 *12 — č—' ύ 21 (8) T _ $11 *21 7 7 ύ 21 (9) _ ^12^21 $11^22 i 21 — ø >

ώ21 (10) 21 (10)

Stopová rovnice je rovnicí s jednou neznámou y2. Rovnice je transcendentní (tzn. nelze y2 explicitně vyjádřit na jednu stranu) a proto se její řešení nalezne pomoci Newton-Raphsonovy metody.A trace equation is an equation with one unknown y 2 . The equation is transcendental (i.e. y 2 cannot be explicitly expressed on one side) and therefore its solution can be found using the Newton-Raphson method.

Hlavní výhodou postupu je, že stopová rovnice je citlivá pouze na změny rozptylových parametrů, ne na jejich absolutní hodnotu. Tento postup tak odstraňuje vliv přívodního přenosového vedení (vně referenčních rovin) a všech dalších přenosových nedokonalostí vedoucí k vzorku a ze vzorku od obvodového analyzátoru. Metoda je proto robustní.The main advantage of the procedure is that the trace equation is sensitive only to changes in the scattering parameters, not to their absolute value. This procedure thus removes the influence of the feed transfer line (outside the reference planes) and all other transfer imperfections leading to and from the sample from the circuit analyzer. The method is therefore robust.

Dále se určí koeficienty tvaru elektrického pole Ks. Kb, které za předpokladu, že veškerá energie šířící se vlny po přenosovém vedení se nachází v oblasti úseku se vzorkem pouze ve vzorku (tvar pole ve vzorku, popsáno Ka) a v dielektrickém substrátu (tvar pole v dielektrickém substrátu popsáno Kb) (11), (12):Next, the coefficients of the shape of the electric field K s are determined. Kb, which, assuming that all the energy of the wave propagating along the transmission line is located in the region of the section with the sample only in the sample (field shape in the sample, described by Ka) and in the dielectric substrate (field shape in the dielectric substrate, described by Kb) (11) , (12):

Yi - Y22 (Π)Yi - Y 2 2 (Π)

-5CZ 2022 - 253 A3 K vb'A - Ύ2ιε*2Α-5CZ 2022 - 253 A3 K vb'A - Ύ 2 ι ε *2Α

Í^rles^e*i ~ (12) kde yi je konstanta šíření v úseku přenosového vedení s prvním kalibračním vzorkem, y? je konstanta šíření v úseku přenosového vedení s druhým kalibračním vzorkem,/je imaginární číslo i2 = -Z J , ω je úhlová frekvence (2π/), / je frekvence, Zrl=Yi Zi, kde Zi je charakteristická impedance přenosového vedení, 1 je permitivita prvního kalibračního vzorku, 2 je permitivita druhého kalibračního vzorku a s je permitivita dielektrického substrátu.Í^rl e s^ e *i ~ (12) where yi is the propagation constant in the section of the transmission line with the first calibration sample, y? is the propagation constant in the section of the transmission line with the second calibration sample, / is the imaginary number i 2 = -Z J , ω is the angular frequency (2π/), / is the frequency, Zrl=Yi Zi, where Zi is the characteristic impedance of the transmission line, 1 is the permittivity of the first calibration sample, 2 is the permittivity of the second calibration sample and s is the permittivity of the dielectric substrate.

Výhodou je, že výše uvedené kroky vedoucí k získání Kt. Kb se mohou provést pro dané přenosové vedení pouze jednou po jeho výrobě. Dále pak lze používat tyto hodnoty pro všechna měření na tomto přenosovém vedení.The advantage is that the above steps leading to obtaining K t . Kb can be performed for a given transmission line only once after its production. These values can then be used for all measurements on this transmission line.

Pro určení komplexní permitivity měřeného vzorku se měřený vzorek o neznámé komplexní permitivitě y aplikuje na úsek stejného přenosového vedení o stejné délce, jako pro kalibrační vzorky. Poté se změří rozptylové parametry přenosového vedení s měřeným vzorkem pomocí obvodového analyzátoru. Rozptylové parametry se převedou na T-parametry, které tvoří matici Z-*To determine the complex permittivity of the measured sample, the measured sample with unknown complex permittivity y is applied to a section of the same transmission line of the same length as for the calibration samples. Then the dispersion parameters of the transmission line with the measured sample are measured using a circuit analyzer. The variance parameters are converted to T-parameters that form the Z-* matrix

Mu z měření s měřeným vzorkem o neznámé komplexní permitivitě u pomocí rovnic (13), (14), (15), (16), (17) (13) „ _ l12 —>Mu from measurements with a measured sample of unknown complex permittivity u using equations (13), (14), (15), (16), (17) (13) „ _ l 12 —>

(14) hi —>(14) hi —>

ύ21 (15) „ _ S/A S]]S22 hi —------ň< ύ 21 (15) „ _ S/A S]]S 2 2 hi —------ň<

(16) kde (17)(16) where (17)

Následně se ze stopové rovnice získá yu - konstanta šíření v úseku přenosového vedení s měřeným vzorkem pomocí rovnice (18):Subsequently, yu - the propagation constant in the section of the transmission line with the measured sample is obtained from the trace equation using equation (18):

Τν{Μυ · Mj1} = 2 · cosh(y7 · /) coshty^ l) — _|_ ÍŘ). sinh(y; /) smh(y[7 · i), (18)Τν{Μ υ · Mj 1 } = 2 · cosh(y 7 · /) coshty^ l) — _|_ ÍŘ). sinh(y ; /) smh(y [7 · i), (18)

-6CZ 2022 - 253 A3 kde Mi a Mu jsou matice z naměřených rozptylových parametrů jednoho kalibračního vzorku a měřeného vzorku, yi je konstanta šíření úseku vedení s jedním kalibračním vzorkem a l je délka úseku přenosového vedení. Stopová rovnice je transcendentní (tzn. nelze γυ explicitně vyjádřit na jednu stranu), a proto se její řešení nalezne pomocí Newton-Raphsonovy metody.-6CZ 2022 - 253 A3 where Mi and Mu are the matrices of the measured scattering parameters of one calibration sample and the measured sample, yi is the propagation constant of the line section with one calibration sample and l is the length of the transmission line section. The trace equation is transcendental (i.e., γυ cannot be explicitly expressed on one side), and therefore its solution can be found using the Newton-Raphson method.

Termín Jeden kalibrační vzorek“ znamená kterýkoliv z kalibračních vzorků. Všechny parametry se však týkají stejného kalibračního vzorku.The term "One calibration sample" means any of the calibration samples. However, all parameters refer to the same calibration sample.

Newton-Raphsonova metoda je definována jako metoda, která iterativně hledá kořen rovnice pomocí podílu funkce rovnice a její derivace. Po nalezení γυ se toto dosadí do rovnice, z které lze přímo určit permitivitu y vzorku jako (19) + Ka6j] ' (~) ~ KBe* (19) kde Ka a Kb jsou koeficienty tvaru elektrického pole, yi je konstanta šíření v úseku přenosového vedení s jedním kalibračním vzorkem, γυ je konstanta šíření v úseku vedení s měřeným vzorkem, 1 je permitivita jednoho kalibračního vzorku a s je permitivita substrátu. Výhodou tohoto postupuje, že permitivita vzorkuje vyjádřená explicitně.The Newton-Raphson method is defined as a method that iteratively finds the root of an equation using the quotient of the function of the equation and its derivative. After finding γυ, this is inserted into the equation from which the permittivity y of the sample can be directly determined as (19) + K a 6j] ' (~) ~ K B e* (19) where Ka and Kb are the electric field shape coefficients, yi is propagation constant in the section of the transmission line with one calibration sample, γυ is the propagation constant in the section of the line with the measured sample, 1 is the permittivity of one calibration sample and s is the permittivity of the substrate. The advantage of this procedure is that the permittivity samples expressed explicitly.

Existuje teoreticky nekonečné množství řešení stopové rovnice pro γυ, protože rovnice obsahuje trigonometrické funkce, které jsou periodické, v komplexním prostoru γυ. Na určení fýzikálně správného řešení se použije heuristický algoritmus. Řešení je nalezeno pomocí NewtonRaphsonovy metody, s výhodou dvacet- anebo vícekrát s náhodnými počáteční podmínkami. Tak se získá soubor řešení a z nich se vyberou neopakující se řešení pro γυ. Následně se tato řešení pro γυ seřadí podle velikosti na základě jejich absolutní hodnoty komplexního čísla. Vyberou se pouze první dvě řešení s nejmenší absolutní hodnotou. Z těchto dvou řešení pro γυ se následně Z-* vypočte permitivita měřeného vzorku u jako (20):There are a theoretically infinite number of solutions to the trace equation for γυ because the equation contains trigonometric functions that are periodic in the complex space of γυ. A heuristic algorithm is used to determine the physically correct solution. The solution is found using the NewtonRaphson method, preferably twenty or more times with random initial conditions. Thus, a set of solutions is obtained and non-repeating solutions for γυ are selected from them. Subsequently, these solutions for γυ are ordered in order of magnitude based on their absolute complex number value. Only the first two solutions with the smallest absolute value are selected. From these two solutions for γυ, the permittivity of the measured sample u is then calculated Z-* as (20):

Ka (20) kde Ka a Kb jsou koeficienty tvaru elektrického pole, y> je konstanta šíření v úseku přenosového e* f* vedení s jedním kalibračním vzorkem, 1 je permitivita jednoho kalibračního vzorku a s je permitivita dielektrického substrátu. Jelikož byla použita dvě řešení γυ, výsledkem jsou dvě řešení komplexní permitivity měřeného vzorku. Poté se určí frekvenční intervaly platnosti řešení následovně. Naměřené rozptylové parametry celého přenosového vedení (t.j. mezi referenčními rovinami) s kalibračním vzorkem se dosadí do (21), (22), (23):Ka (20) where Ka and Kb are the electric field shape coefficients, y> is the propagation constant in the section of the transmission e* f* line with one calibration sample, 1 is the permittivity of one calibration sample and s is the permittivity of the dielectric substrate. Since two solutions of γυ were used, the result is two solutions of the complex permittivity of the measured sample. After that, the frequency intervals of the validity of the solution are determined as follows. The measured dispersion parameters of the entire transmission line (ie between the reference planes) with the calibration sample are inserted into (21), (22), (23):

(7+5^)-(7-¾¾¾¾ (21) (7-5^)-(7 + ¾¾¾¾(7+5^)-(7-¾¾¾¾ (21) (7-5^)-(7 + ¾¾¾¾

IS,, (22)IS,, (22)

-7CZ 2022 - 253 A3 cosh VýA · ΰ) Y-----------Ϊ----------- (23)-7CZ 2022 - 253 A3 cosh VýA · ΰ) Y -----------Ϊ----------- (23)

Kde l je délka úseku přenosového vedení pouze se vzorkem. Tím se získají konstanty šíření yu-a y2c pro vedení s prvním a druhým kalibračním vzorkem, které se následně dosadí do stopové rovnice (24):Where l is the length of the sample-only transmission line section. This gives the propagation constants yu- and y2c for the line with the first and second calibration samples, which are then substituted into the trace equation (24):

R = 2- cosh(yic · Z) cosh(yzc · í) - (— + —) · sinh(yic · ΐ) sinh(y2C Γ) V2C Yic'R = 2- cosh(y ic · Z) cosh(y zc · í) - (— + —) · sinh(y ic · ΐ) sinh(y 2C Γ) V2C Yic'

- Tr{M2 Mj1}.- Tr{M 2 Mj 1 }.

(24)(24)

Frekvenční rozsahy, kde je |R|> 100, (kde |R| je definované jako absolutní hodnota reálné části komplexního čísla) se považují za rozsah neplatných řešení. V dalším postupu se použijí hodnoty permitivity ve frekvenčním rozsahu, kde je |R| =< 100. S výhodou se pak heuristicky rozsah platných řešení rozšíří.Frequency ranges where |R|> 100, (where |R| is defined as the absolute value of the real part of a complex number) are considered to be the range of invalid solutions. In the next procedure, permittivity values are used in the frequency range where |R| =< 100. Advantageously, the range of valid solutions will then expand heuristically.

Ve frekvenčních rozsazích s platnými řešeními se pak spočte imaginární složka permitivity u jak z nalezeného řešení s nejmenší absolutní hodnotou γυ, tak i z řešení s druhou nejmenší absolutní hodnotou γυ. Heuristickým algoritmem se poté vybere řešení, které vede k správným hodnotám imaginární složky permitivity.In the frequency ranges with valid solutions, the imaginary permittivity component is then calculated for both the found solution with the smallest absolute value γυ and the solution with the second smallest absolute value γυ. A heuristic algorithm is then used to select a solution that leads to the correct values of the imaginary component of the permittivity.

Ze zvolených řešení γυ se spočtou i hodnoty reálné složky permitivity. Za předpokladu absence rezonančních jevů v měřeném vzorku se získaný frekvenční průběh poté proloží fúnkcí, kterou je Havriliak-Negami disperzní funkce, a to jak pro reálnou, tak i imaginární složku řešení komplexní permitivity měřeného vzorku, vztahem (25):The values of the real permittivity component are also calculated from the selected γυ solutions. Assuming the absence of resonance phenomena in the measured sample, the obtained frequency course is then interpolated by a function, which is the Havriliak-Negami dispersion function, for both the real and the imaginary component of the solution of the complex permittivity of the measured sample, by relation (25):

ω £h + ieoa) + 2_in (/ + (ίωτη)“)4 (25) kde E je komplexní permitivita, n je vysoko-frekvenční limit permitivity, σι je nízkofrekvenční vodivost vzorku, je permitivita vakua (konstanta s hodnotou, 8,854 x 10 12 F/m) ω je úhlová ______^Τΐ_______ frekvence, suma jednotlivých disperzních členů ί1+(ιωτη>“) pro efektivních n složek vzorku, je dielektrický inkrement efektivní n-té složky vzorku, T je charakteristický relaxační čas nté složky vzorku a a β jsou parametry tvaru daného disperzního členu. Následně se eliminují odlehlé hodnoty pomocí iterativního postupu s heuristickým kritériem založeném na vzdálenosti bodu od prokládací funkce - s výhodou tak, že ve výsledném proložení permitivity měřeného vzorku se najde nej vzdálenější bod od prokládací funkce a odstraní se, a postup se opakuje, dokud vzdálenost nej vzdálenějšího bodu permitivity měřeného vzorku od aproximace prokládací fúnkcí nedosáhne hodnoty 3. Výstupem této metody je pak frekvenční závislost komplexní permitivity popsaná prokládací funkcí vycházející z reálně získaných dat předchozím postupem. ω £h + ieoa) + 2_in (/ + (ίωτη)“)4 (25) where E is the complex permittivity, n is the high-frequency permittivity limit, σι is the low-frequency conductivity of the sample, is the vacuum permittivity (constant with the value, 8.854 x 10 12 F/m) ω is the angular ______^Τΐ_______ frequency, the sum of individual dispersion terms ί 1+ ( ιωτ η>“) for effective n components of the sample, is the dielectric increment of the effective nth component of the sample, T is the characteristic relaxation time The nth sample components aa and β are the shape parameters of the given dispersion term. Subsequently, outliers are eliminated using an iterative procedure with a heuristic criterion based on the distance of the point from the interpolation function - preferably so that in the resulting interpolation of the permittivity of the measured sample, the farthest point from the interpolation function is found and removed, and the procedure is repeated until the distance of the most the farthest point of the permittivity of the measured sample from the interpolation function approximation does not reach the value 3. The output of this method is the frequency dependence of the complex permittivity described by the interpolation function based on the real data obtained by the previous procedure.

Předkládaný vynález tedy poskytuje novou metodu pro získání širokopásmové komplexní permitivity založené na přenosovém vedení, s výhodou na zemněném koplanámím vlnovodu. Hlavní výhodou této metody je možnost měřit dielektrické vlastnosti extrémně malých objemů vzorků (řádově pL), přibližně 20-krát menších než u dosud známých a komerčně dostupných metod. Přesnost stanovení komplexní permitivity je srovnatelná se stávajícími komerčně využívanými metodami. Metoda funguje nezávisle na výrobci obvodového analyzátoru.Thus, the present invention provides a new method for obtaining broadband complex permittivity based on a transmission line, preferably a grounded coplanar waveguide. The main advantage of this method is the possibility to measure the dielectric properties of extremely small volumes of samples (on the order of pL), approximately 20 times smaller than with previously known and commercially available methods. The accuracy of determining complex permittivity is comparable to existing commercially used methods. The method works independently of the manufacturer of the circuit analyzer.

-8CZ 2022 - 253 A3-8CZ 2022 - 253 A3

Objasnění výkresůClarification of drawings

Obr. 1 znázorňuje schematicky zemněné koplanární přenosové vedení.Giant. 1 schematically shows a grounded coplanar transmission line.

Obr. 2 znázorňuje srovnání výsledků určení komplexní permitivity metodou podle vynálezu (popsanou v příkladu provedení) ve srovnání s metodou využívající koaxiální sondu, pro vodný roztok cysteinu o koncentraci 50 mg/ml. (Re: reálná složka; Im: imaginární složka)Giant. 2 shows a comparison of the results of determining the complex permittivity by the method according to the invention (described in the embodiment example) in comparison with the method using a coaxial probe, for an aqueous solution of cysteine with a concentration of 50 mg/ml. (Re: real component; Im: imaginary component)

Obr. 3 znázorňuje standardní odchylku pro 5 průběhů stanovené komplexní permitivity pro vodný roztok cysteinu o koncentraci 50 mg/ml.Giant. 3 shows the standard deviation for 5 waveforms of the determined complex permittivity for an aqueous solution of cysteine with a concentration of 50 mg/ml.

Obr. 4 znázorňuje srovnání výsledků určení komplexní permitivity metodou podle vynálezu (popsanou v příkladu provedení) ve srovnání s metodou využívající koaxiální sondu, pro vodný roztok alaninu o koncentraci 100 mg/ml.Giant. 4 shows a comparison of the results of determining the complex permittivity by the method according to the invention (described in the embodiment example) compared to the method using a coaxial probe, for an aqueous solution of alanine with a concentration of 100 mg/ml.

Obr. 5 znázorňuje standardní odchylku pro 5 průběhů stanovené komplexní permitivity pro vodný roztok alaninu o koncentraci 100 mg/ml.Giant. 5 shows the standard deviation for 5 courses of the determined complex permittivity for an aqueous solution of alanine with a concentration of 100 mg/ml.

Obr. 6 znázorňuje srovnání výsledků určení komplexní permitivity metodou podle vynálezu (popsanou v příkladu provedení) ve srovnání s metodou využívající koaxiální sondu, pro vodný roztok cysteinu o koncentraci 100 mg/ml.Giant. 6 shows a comparison of the results of determining the complex permittivity by the method according to the invention (described in the embodiment example) in comparison with the method using a coaxial probe, for an aqueous solution of cysteine with a concentration of 100 mg/ml.

Obr. 7 znázorňuje standardní odchylku pro 5 průběhů stanovené komplexní permitivity pro vodný roztok cysteinu o koncentraci 100 mg/ml.Giant. 7 shows the standard deviation for 5 courses of the determined complex permittivity for an aqueous solution of cysteine with a concentration of 100 mg/ml.

Obr. 8 znázorňuje srovnání výsledků určení komplexní permitivity metodou podle vynálezu (popsanou v příkladu provedení) ve srovnání s metodou využívající koaxiální sondu, pro vodný roztok alaninu o koncentraci 150 mg/ml.Giant. 8 shows a comparison of the results of determining the complex permittivity by the method according to the invention (described in the embodiment example) compared to the method using a coaxial probe, for an aqueous solution of alanine with a concentration of 150 mg/ml.

Obr. 9 znázorňuje standardní odchylku pro 5 průběhů stanovené komplexní permitivity pro vodný roztok alaninu o koncentraci 150 mg/ml.Giant. 9 shows the standard deviation for 5 waveforms of the determined complex permittivity for an aqueous solution of alanine with a concentration of 150 mg/ml.

Obr. 10 znázorňuje srovnání výsledků určení komplexní permitivity metodou podle vynálezu (popsanou v příkladu provedení) ve srovnání s metodou využívající koaxiální sondu, pro vodný roztok cysteinu o koncentraci 150 mg/ml.Giant. 10 shows a comparison of the results of the determination of the complex permittivity by the method according to the invention (described in the exemplary embodiment) compared to the method using a coaxial probe, for an aqueous solution of cysteine with a concentration of 150 mg/ml.

Obr. 11 znázorňuje standardní odchylku pro 5 průběhů stanovené komplexní permitivity pro vodný roztok cysteinu o koncentraci 150 mg/ml.Giant. 11 shows the standard deviation for 5 waveforms of the determined complex permittivity for an aqueous solution of cysteine with a concentration of 150 mg/ml.

Příklady uskutečnění vynálezuExamples of implementation of the invention

Příklad 1Example 1

Jeden typ přenosového vedení je znázorněn na obr. 1. Jedná se o koplanární zemněné přenosové vedení s invertovanou středovou částí, které obsahuje vodivé zemnicí dráhy 1, signálovou vodivou dráhu 2, dielektrický substrát 3, prokovené otvory 4 vodivě spojující vodivé zemnicí dráhy na obou stranách substrátu, prokovené otvory 5 vodivě spojující signálovou vodivou dráhu na obou stranách substrátu, a nevodivá hranice 6 pro vymezení místa pro kapalný vzorek. Vzorky pro měření byly připraveny rozpuštěním aminokyselin L-alanin (čistota 98,5 %, P.Lab CZ, R30761) a L-cystein (čistota 98 %, P.Lab CZ, C10502) v ultračisté vodě Millipore Q. Připravené koncentrace byly 50 mg/ml, 100 mg/ml a 150 mg/ml.One type of transmission line is shown in Fig. 1. It is a coplanar grounded transmission line with an inverted center section, which contains conductive ground paths 1, signal conductive path 2, dielectric substrate 3, metallized holes 4 conductively connecting the conductive ground paths on both sides of the substrate, metallized holes 5 conductively connecting the signal conductive path on both sides of the substrate, and a non-conductive border 6 to define the place for the liquid sample. The samples for measurement were prepared by dissolving the amino acids L-alanine (purity 98.5%, P.Lab CZ, R30761) and L-cysteine (purity 98%, P.Lab CZ, C10502) in Millipore Q ultrapure water. The prepared concentrations were 50 mg/ml, 100 mg/ml and 150 mg/ml.

- 9 CZ 2022 - 253 A3- 9 CZ 2022 - 253 A3

Jako kalibrační vzorky byly použity voda (Millipore Q) a vodný roztok L-alaninu o koncentraci 50 mg/ml. Každý vzorek byl nanesen na přenosové vedení v objemu 250 mikrolitrů. Mezi jednotlivými vzorky bylo přenosové vedení vždy očištěno isopropanolem a vysušeno proudem dusíku. Měření každého vzorku bylo provedeno 5x a probíhalo v teplotě 23 °C.Water (Millipore Q) and an aqueous solution of L-alanine with a concentration of 50 mg/ml were used as calibration samples. Each sample was loaded onto a transfer line in a volume of 250 microliters. Between individual samples, the transfer line was always cleaned with isopropanol and dried with a stream of nitrogen. Each sample was measured 5 times at a temperature of 23 °C.

U kalibračních vzorků byla stanovena komplexní permitivita metodou měření otevřenou koaxiální sondou Agilent 85070E Dielectric Probe Kit (0,5 až 50 GHz, 201 frekvenčních bodů, tenká elektroda). Kalibrace byla provedena kalibračními standardy vzduch, zkrat (Přípravek 030 ze sady Agilent 85070E) a ultra čistá voda. Výsledná hodnota komplexní permitivity byla získána zprůměrováním 9 měření (3 nezávislé vzorky a každý byl změřen 3x).For the calibration samples, the complex permittivity was determined by the Agilent 85070E Dielectric Probe Kit open coaxial probe method (0.5 to 50 GHz, 201 frequency points, thin electrode). Calibration was performed with calibration standards air, short circuit (Preparation 030 from the Agilent 85070E kit) and ultrapure water. The resulting complex permittivity value was obtained by averaging 9 measurements (3 independent samples and each measured 3x).

Permitivita dielektrického substrátu RO4350B (508 pm) byla definována jako 3,74 + 0,03j přes celé frekvenční pásmo.The permittivity of the RO4350B dielectric substrate (508 pm) was defined as 3.74 + 0.03j over the entire frequency band.

U každého vzorku byly změřeny rozptylové parametry ve frekvenčním rozsahu 1,5 až 50 GHz na obvodovém analyzátoru ZVA67 (Rohde & Schwarz) s nastavením výkon 0 dBm, šířka pásma 200 Hz, počet bodů 1601 a lineární rozložení frekvenčních bodů. Kalibrace obvodového analyzátoru byla provedena kalibrační sadou (viz Havelka Daniel et al. Sensors and Actuators B: Chemical, no. 273 (2018), 62-69.) postavené na kalibrační technice Multiline TRL (Thru průchod, Reflect - odraz (byl použit zkrat) a čtyři Line - přenosových vedení o délce 1 mm, 2 mm, 4 mm, 8 mm).For each sample, the dispersion parameters were measured in the frequency range of 1.5 to 50 GHz on a circuit analyzer ZVA67 (Rohde & Schwarz) with a power setting of 0 dBm, a bandwidth of 200 Hz, the number of points 1601 and a linear distribution of frequency points. The circuit analyzer was calibrated with a calibration set (see Havelka Daniel et al. Sensors and Actuators B: Chemical, no. 273 (2018), 62-69.) built on the Multiline TRL calibration technique (Thru passage, Reflect - reflection (short circuit was used ) and four Line - transmission lines with a length of 1 mm, 2 mm, 4 mm, 8 mm).

Dále byly z numerického simulátoru CST Microwave Studio získány hodnoty rozptylových parametrů a zi - charakteristická impedance úseku přenosového vedení s prvním kalibračním vzorkem - vodou. Pro výpočet rozptylových parametrů v simulátoru byl použit frekvenční řešič, tetrahedrální mřížka s adaptivním zjemňováním sítě s hranicí pro všechny rozptylové parametry nastavena na 0,01 s 1 kontrolou. Hranice pro parametr kz/kO = 0,005 s2 kontrolami. Počet průchodů pro zjemňování sítě minimálně 3 a maximálně 20. Buzení elektromagnetické vlny bylo realizováno pomocí vlno vodného portu a okrajové podmínky byly nastaveny na otevřený konec ze všech 6 stran.Furthermore, the values of scattering parameters and zi - the characteristic impedance of the section of the transmission line with the first calibration sample - water, were obtained from the CST Microwave Studio numerical simulator. A frequency solver, tetrahedral grid with adaptive mesh refinement with a boundary for all scattering parameters set to 0.01 with 1 check was used to calculate the scattering parameters in the simulator. The limit for the parameter kz/kO = 0.005 with 2 checks. The number of mesh refinement passes is a minimum of 3 and a maximum of 20. The excitation of the electromagnetic wave was realized using a wave water port and the boundary conditions were set to open end from all 6 sides.

Rozptylové parametry, určeny z numerického simulátoru, Sil, S12, S21, S22 byly převedeny na parametry A, D pomoci rovnic (l+S1})fl-S22)+Si2S21 A=-------------------, „ _ Q ~ Su) ' Q + S 22) + S12S21The scattering parameters, determined from the numerical simulator, Sil, S12, S21, S22 were converted to parameters A, D using the equations (l+S 1} )fl-S 22 )+S i2 S 21 A=------- ------------, „ _ Q ~ Su) ' Q + S 22 ) + S 12 S 21

2S21 2S 21

Hodnota konstanty šíření vlny v úseku přenosového vedení s prvním kalibračním vzorkem, označena jako γι, byla určena z rovnice:The value of the wave propagation constant in the section of the transmission line with the first calibration sample, denoted as γ, was determined from the equation:

cosh-/(ýA D) /;=------1-----kde l je délka úseku přenosového vedení s prvním kalibračním vzorkem.cosh -/ (ýA D) /;=------1-----where l is the length of the transmission line section with the first calibration sample.

Změřené rozptylové parametry prvního a druhého kalibračního vzorku byly pak přepočteny na Tparametry (elementy matice M) pomocí následujících vzorců:The measured dispersion parameters of the first and second calibration samples were then converted to T parameters (elements of the M matrix) using the following formulas:

-10 CZ 2022 - 253 A3-10 CZ 2022 - 253 A3

Tn , _ $22 — ~P~>T n , _ $22 — ~P~>

•>21 , _Sn 21 — T-' b21•>21 , _ S n 21 — T - ' b 21

T21T21

S 12^21 - ^11^22With 12^21 - ^11^22

Tu T]2 Here T ]2

T21 T22.T21 T22.

kde M„ je buď měření pro první kalibrační vzorek (voda) Mi nebo měření pro druhý kalibrační vzorek (alanin 50 mg/ml) M. spočteno z odpovídajících rozptylových parametrů.where M„ is either the measurement for the first calibration sample (water) Mi or the measurement for the second calibration sample (alanine 50 mg/ml) M. calculated from the corresponding scattering parameters.

Dále získáme konstantu šíření /2 na přenosovém vedení s druhým kalibračním vzorkem (alanin 50 mg/ml) pomocí stopové rovniceNext, we obtain the propagation constant /2 on the transfer line with the second calibration sample (alanine 50 mg/ml) using the trace equation

Tr{M2 · M71] = 2 · cosh(y; · I) cosh(y2 ·/) — (— + —}· sinh(y7 · l) sinh(y2 · 0, kde γι je konstanta šíření na přenosovém vedení s prvním kalibračním vzorkem (voda), l je délka úseku vedení s kalibračním vzorkem, Tr značí stopový operátor, M jc matice z měření s druhým kalibračním vzorkem, Mi je matice z měření s prvním kalibračním vzorkem, které získáme z naměřených rozptylových parametrů následovněTr{M 2 · M7 1 ] = 2 · cosh(y ; · I) cosh(y 2 ·/) — (— + —}· sinh(y 7 · l) sinh(y 2 · 0, where γι is a constant propagation on the transmission line with the first calibration sample (water), l is the length of the line section with the calibration sample, Tr is the trace operator, M is the matrix from the measurement with the second calibration sample, Mi is the matrix from the measurement with the first calibration sample, which we obtain from the measured of the scattering parameters as follows

í $21It's $21

Č12#12

NiShe

UlHive

NiShe

NiShe

TziTzu

NzNi - N1N2NzNi - N1N2

Stopová rovnice je rovnicí s jednou neznámou γ2. Řešení γ2 se nalezne pomocí NewtonRaphsonovy metody implementované v numerickém řešiči vpasolve v programu Matlab (verze R2021B). Řešič je nastaven na hledání řešení γ2 v rozsahu -10 000 až 10 000 pro reálnou složku, a od -Inf do +Inf pro imaginární složku.The trace equation is an equation with one unknown γ 2 . The solution γ 2 is found using the NewtonRaphson method implemented in the numerical solver vpasolve in the Matlab program (version R2021B). The solver is set to find solutions to γ 2 in the range -10,000 to 10,000 for the real component, and from -Inf to +Inf for the imaginary component.

-11 CZ 2022 - 253 A3-11 CZ 2022 - 253 A3

Dále se určí koeficienty tvaru elektrického pole Ka, Kb, které za předpokladu, že veškerá energie šířící se vlny po vedení se nachází pouze ve vzorku (tvar pole Ka) a v dielektrickém substrátu (tvar pole Kb):Next, the coefficients of the shape of the electric field Ka, Kb are determined, which, assuming that all the energy of the wave propagating along the line is located only in the sample (the shape of the field Ka) and in the dielectric substrate (the shape of the field Kb):

Yi - Ύ22Yi - Ύ 2 2

J(a)Zrl(€j — ef) (26) „ Υ&Α-Υ&ΑJ(a)Z rl (€j — ef) (26) „ Υ&Α-Υ&Α

ÍmZrlUs(e] — ef) (27) kde yi je konstanta šíření v úseku přenosového vedení s prvním kalibračním vzorkem, y? je konstanta šíření v úseku přenosového vedení s druhým kalibračním vzorkem, j je imaginární číslo, ω je úhlová frekvence (2π/), f je frekvence, ZM. y: Zi, kde Zi je charakteristická e* r’ impedance vedení, 1 je permitivita prvního kalibračního vzorku, 2 je permitivita druhého kalibračního vzorku a s je permitivita substrátu.ÍmZ rl U s (e] — ef) (27) where yi is the propagation constant in the section of the transmission line with the first calibration sample, y? is the propagation constant in the section of the transmission line with the second calibration sample, j is an imaginary number, ω is the angular frequency (2π/), f is the frequency, Z M . y: Zi, where Zi is the characteristic e* r' impedance of the line, 1 is the permittivity of the first calibration sample, 2 is the permittivity of the second calibration sample, and s is the permittivity of the substrate.

Dále se aplikuje měřený vzorek o neznámé permitivitě u na úsek přenosového vedení o stejné délce, jako pro kalibrační vzorky. Poté se změří rozptylové parametrů celého vedení se vzorkem pomocí obvodového analyzátoru. Rozptylové parametry byly převedeny na T-parametry, které , * tvoří matici Mu z měření s měřeným vzorkem o neznámé permitivitě υ Next, a measured sample with an unknown permittivity u is applied to a section of the transmission line of the same length as for the calibration samples. After that, the dispersion parameters of the entire line with the sample are measured using a circuit analyzer. The scattering parameters were converted to T-parameters, which , * form the matrix Mu from measurements with a measured sample of unknown permittivity υ

Následně se ze stopové rovnice získá yu - konstanta šíření v úseku vedení s měřeným vzorkem o neznámé permitivitě:Subsequently, yu - propagation constant in the line section with the measured sample of unknown permittivity is obtained from the trace equation:

Tr{Mu · My1} = 2 cosh(y7 · l) cosh(yy · í) - 02 _|_ Πθ . smh(y; · /) smh(y[; · i), kde Mi a Mu jsou matice z naměřených rozptylových parametrů prvního kalibračního vzorku a měřeného vzorku, yi je konstanta šíření úseku vedení s prvním kalibračním vzorkem a l je délka úseku vedení.Tr{M u · My 1 } = 2 cosh(y 7 · l) cosh(y y · í) - 02 _|_ Πθ . smh(y ; · /) smh(y [; · i), where Mi and Mu are matrices from the measured scattering parameters of the first calibration sample and the measured sample, yi is the propagation constant of the line section with the first calibration sample and al is the length of the line section.

-12 CZ 2022 - 253 A3-12 CZ 2022 - 253 A3

Existuje teoreticky nekonečné množství řešení stopové rovnice pro γυ, protože rovnice obsahuje trigonometrické funkce, které jsou periodické, v komplexním prostoru γυ. Na určení fyzikálně správného řešení se použije tento heuristický algoritmus.There are a theoretically infinite number of solutions to the trace equation for γυ because the equation contains trigonometric functions that are periodic in the complex space of γυ. This heuristic algorithm is used to determine the physically correct solution.

Řešení γυ se nalezne pomocí Newton-Raphsonovy metody implementované v numerickém řešiči vpasolve v programu Matlab (verze R2021B). Řešič je nastaven na hledání řešení y2 v rozsahu 0 až 2000 pro reálnou složku, a od -8000 do +4000 pro imaginární složku.The solution γυ is found using the Newton-Raphson method implemented in the numerical solver vpasolve in the Matlab program (version R2021B). The solver is set to find y 2 solutions in the range 0 to 2000 for the real component, and from -8000 to +4000 for the imaginary component.

Řešení je nalezeno pomocí Newton-Raphsonovy metody s opakováním stokrát s náhodnými počáteční podmínkami. Tak se získá soubor řešení a z nich se vyberou neopakující se řešení pro γυ. Následně se tato řešení pro γυ seřadí podle velikosti na základě jejich absolutní hodnoty komplexního čísla. Vyberou se pouze první dvě řešení s nejmenší absolutní hodnotou. Z těchto dvou řešení pro γυ se následně vypočte permitivita měřeného vzorku u jako:The solution is found using the Newton-Raphson method with iterations hundreds of times with random initial conditions. Thus, a set of solutions is obtained and non-repeating solutions for γυ are selected from them. Subsequently, these solutions for γυ are ordered in order of magnitude based on their absolute complex number value. Only the first two solutions with the smallest absolute value are selected. From these two solutions for γυ, the permittivity of the measured sample u is then calculated as:

Β4 + ΚΑ^]·(^) -KBe* kde Ka a Kb jsou koeficienty tvaru elektrického pole, je konstanta šíření v úseku vedení e* f* s jedním vzorkem, 1 je permitivita jednoho kalibračního vzorku a s je permitivita substrátu. Jelikož byly použity dvě řešení γυ, výsledkem jsou dvě řešení permitivity. Poté se určí frekvenční intervaly platnosti řešení následovně. Naměřené rozptylové parametry celého přenosového vedení (tj. mezi referenčními rovinami) s kalibračním vzorkem se dosadí do:Β 4 + Κ Α ^]·(^) -K B e* where Ka and Kb are the electric field shape coefficients, is the propagation constant in the line section e* f* with one sample, 1 is the permittivity of one calibration sample and s is the permittivity of the substrate. Since two γυ solutions were used, the result is two permittivity solutions. After that, the frequency intervals of the validity of the solution are determined as follows. The measured dispersion parameters of the entire transmission line (i.e. between the reference planes) with the calibration sample are inserted into:

(i + sn) · (i - s22) + s]2s21 2S2, — S21) · (1 + S22) + s12s21 2S„ cosh-jF(ýri D) r =-------i-------(i + s n ) · (i - s 22 ) + s ]2 s 21 2S 2 , — S 21 ) · (1 + S 22 ) + s 12 s 21 2S„ cosh -jF (ýri D) r = - ------and-------

Tím se získají přibližné konstanty šíření yÍC a yu- pro celé vedení s prvním a druhým kalibračním vzorkem, které se dosadí do stopové rovnice (24):This gives the approximate propagation constants y ÍC and yu- for the entire line with the first and second calibration samples, which are inserted into the trace equation (24):

(yjr y7r\ ---+ — · sinh(y7C · l) sinh(y2C · l) - Tr(M2 · Aíý7}· Y2C Y1C'(y jr y 7r \ ---+ — · sinh(y 7C · l) sinh(y 2C · l) - Tr(M 2 · Aíý 7 }· Y2C Y1C'

Frekvenční rozsah, kde je |R|> 100, (kde |R| je definované jako absolutní hodnota reálné části komplexního čísla) se považuje za rozsah neplatných řešení. V dalším postupu se použijí hodnoty permitivity ve frekvenčním rozsahem, kde je v |R| =< 100. Frekvenční rozsah neplatných řešení se v praxi nachází uprostřed měřeného frekvenčního intervalu a rozděluje oblast platných řešení na dvě části - nízkofrekvenční (definována frekvenčním intervalem f < fl) a vysokofrekvenční část (definována frekvenčním intervalem f > f2). fl je frekvence, na které dosáhne fúnkce popsaná rovnicí (24) hodnoty |R|= 100, když probíhá výpočet od nejnižšího frekvenčního bodu 1,5 G z k vyšším frekvenční bodům. f2 je frekvence, na které dosáhne fúnkce popsaná rovnicí (24) hodnoty |R|= 100, když probíhá výpočet od nejvyššího frekvenčního bodu 50 GHz k nižším frekvenčním bodům. Hodnota fl se pak upravila heuristicky na 8,2 GHz a hodnota f2 na 18,2 GHz. Imaginární složka permitivity u je pak spočtena jak z nalezeného řešení s nejmenší absolutní hodnotu γυ, tak i z řešení s druhou nejmenší absolutní hodnotu γυ. Vzniknou tak dva frekvenční průběhy imaginární složky u. Oba průběhy se pak proloží polynomem 4. řádu a z těchto proložených průběhů se udělá průměr, který dá průběh označený zde jako P. Následně seThe frequency range where |R|> 100, (where |R| is defined as the absolute value of the real part of a complex number) is considered to be the range of invalid solutions. In the next procedure, permittivity values are used in the frequency range where v |R| =< 100. In practice, the frequency range of invalid solutions is located in the middle of the measured frequency interval and divides the area of valid solutions into two parts - a low-frequency part (defined by the frequency interval f < fl) and a high-frequency part (defined by the frequency interval f > f2). fl is the frequency at which the function described by equation (24) reaches the value |R|= 100 when the calculation is carried out from the lowest frequency point 1.5 G z to higher frequency points. f2 is the frequency at which the function described by equation (24) reaches the value |R|= 100 when calculating from the highest frequency point of 50 GHz to lower frequency points. The fl value was then adjusted heuristically to 8.2 GHz and the f2 value to 18.2 GHz. The imaginary component of the permittivity u is then calculated both from the found solution with the smallest absolute value γυ and also from the solution with the second smallest absolute value γυ. This results in two frequency courses of the imaginary component u . Both waveforms are then interpolated with a 4th-order polynomial, and these interpolated waveforms are averaged to give the waveform marked here as P. Subsequently,

-13 CZ 2022 - 253 A3 v oblasti f < f 1 zvolí řešení γυ vedoucí, k hodnotám imaginární složky permitivity nad průběhem P a v oblasti f > f2 se zvolí řešení γυ vedoucí k hodnotám imaginární složky permitivity pod průběhem P. Ze zvolených řešení γυ se spočtou i hodnoty reálné složky permitivity.-13 CZ 2022 - 253 A3 in the region f < f 1 choose the solution γυ leading to the values of the imaginary component of the permittivity above the curve P and in the region f > f2 choose the solution γυ leading to the values of the imaginary component of the permittivity below the curve P. From the chosen solutions γυ the values of the real permittivity component are also calculated.

Získané řešení se poté proloží následující funkcí (která se získá z rovnice (25) po dosazení a = β = 1 a uvážení, že se ve vzorku nachází n=2 složky (1 - voda, 2 - alanin, nebo cystein) za předpokladu zanedbatelné nízkofrekvenční vodivosti vzorku σί), pro reálnou i imaginární složku řešení permitivity měřeného vzorku:The obtained solution is then interpolated with the following function (which is obtained from equation (25) after substituting a = β = 1 and considering that there are n=2 components in the sample (1 - water, 2 - alanine, or cysteine) assuming negligible low-frequency conductivity of the sample σί), for the real and imaginary component of the solution of the permittivity of the measured sample:

Δ; Δ2 e* (ω) = + ——--1- ——-1 + ιωτ; 1 + ιωτ2 kde Ě je komplexní permitivita, je vysoko-frekvenční limit permitivity, co je úhlová frekvence (2π/), f je frekvence elektromagnetického pole, Δ/ a A2 jsou dielektrické inkrementy příslušných složek vzorku (1 - voda, 2 - alanin nebo cystein), τ; a v jsou charakteristické relaxační časy příslušných složek vzorku (1 - voda, 2 - alanin nebo cystein). Ve výsledném proložení permitivity neznámého vzorku se nalezne nej vzdálenější bod od prokládací funkce a odstraní se. Postup se opakuje, dokud vzdálenost nej vzdálenějšího bodu permitivity neznámého vzorku od aproximace prokládací fúnkcí modelem nedosáhne hodnotu 3. Výstupem této metody je pak průběh permitivity popsaný prokládací fúnkcí vycházející z dat získaných předchozím postupem. Výsledky pro měřené vzorky jsou uvedeny v obrázcích.Δ; Δ 2 e* (ω) = + ——--1- ——-1 + ιωτ ; 1 + ιωτ 2 where Ě is the complex permittivity, is the high-frequency permittivity limit, which is the angular frequency (2π/), f is the frequency of the electromagnetic field, Δ/ and A 2 are the dielectric increments of the respective components of the sample (1 - water, 2 - alanine or cysteine), τ ; and v are the characteristic relaxation times of the respective sample components (1 - water, 2 - alanine or cysteine). In the resulting fit of the permittivity of the unknown sample, the farthest point from the fitting function is found and removed. The procedure is repeated until the distance of the furthest point of the permittivity of the unknown sample from the approximation of the interpolation function by the model reaches the value 3. The output of this method is then the course of the permittivity described by the interpolation function based on the data obtained by the previous procedure. The results for the measured samples are shown in the figures.

Claims (10)

1. Způsob stanovení komplexní permitivity měřeného vzorku, vyznačující se tím, že obsahuje kroky:1. The method of determining the complex permittivity of the measured sample, characterized by the fact that it contains the following steps: a) určení komplexní permitivity kalibračních vzorků a dielektrického substrátu přenosového vedení;a) determination of the complex permittivity of the calibration samples and the dielectric substrate of the transmission line; b) aplikace alespoň dvou kalibračních vzorků na úsek přenosového vedení obsahujícího dielektrický substrát, na němž jsou naneseny elektrické vodiče;b) application of at least two calibration samples to a section of a transmission line containing a dielectric substrate on which electrical conductors are applied; c) změření rozptylových parametrů přenosového vedení pro každý kalibrační vzorek pomocí obvodového analyzátoru;c) measuring the dispersion parameters of the transmission line for each calibration sample using a circuit analyzer; d) určení konstanty šíření a charakteristické impedance v úseku přenosového vedení se vzorkem pro jeden kalibrační vzorek pomocí numerického simulátoru elektromagnetického pole;d) determination of propagation constant and characteristic impedance in the transmission line section with the sample for one calibration sample using a numerical electromagnetic field simulator; e) určení konstanty šíření v úseku přenosového vedení se vzorkem pro druhý kalibrační vzorek pomocí stopové rovnice;e) determining the propagation constant in the section of the transmission line with the sample for the second calibration sample using the trace equation; f) poskytnutí koeficientů tvaru pole Kt a Kb;f) providing field shape coefficients K t and Kb; g) aplikace měřeného vzorku na stejné přenosové vedení;g) application of the measured sample to the same transmission line; h) změření rozptylových parametrů přenosového vedení s měřeným vzorkem pomocí obvodového analyzátoru;h) measurement of dispersion parameters of the transmission line with the measured sample using a circuit analyzer; i) určení konstanty šíření v úseku přenosového vedení s měřeným vzorkem pomocí stopové rovnice a výběr správných řešení stopové rovnice pomocí heuristického algoritmu;i) determination of the propagation constant in the section of the transmission line with the measured sample using the trace equation and selection of correct solutions of the trace equation using a heuristic algorithm; j) výpočet komplexní permitivity měřeného vzorku z konstanty šíření v úseku přenosového vedení s měřeným vzorkem, z konstanty šíření v úseku přenosového vedení s jedním kalibračním vzorkem a z koeficientů tvaru pole pomocí rovnicej) calculation of the complex permittivity of the measured sample from the propagation constant in the section of the transmission line with the measured sample, from the propagation constant in the section of the transmission line with one calibration sample and from the field shape coefficients using the equation kde Ka άΚβ jsou koeficienty tvaru elektrického pole, y> je konstanta šíření v úseku přenosového vedení s jedním kalibračním vzorkem, ';'r jc konstanta šíření v úseku přenosového vedení s měřeným vzorkem, €*; je permitivita jednoho kalibračního vzorku ař'ýjc permitivita dielektrického substrátu.where Ka άΚβ are the electric field shape coefficients, y> is the propagation constant in the transmission line section with one calibration sample, ';'r jc is the propagation constant in the transmission line section with the measured sample, €*; is the permittivity of one calibration sample and is the permittivity of the dielectric substrate. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že koeficienty tvaru pole Ka a Kb se určí z konstant šíření kalibračních vzorků a komplexní permitivity kalibračních vzorků a dielektrického substrátu přenosového vedení pomocí rovnic A K Y2ě1a~Y1ě2A ja)ZRLe^(e] — e2) kde yi je konstanta šíření v úseku přenosového vedení s prvním kalibračním vzorkem, yr je konstanta šíření v úseku přenosového vedení s druhým kalibračním vzorkem,/je imaginární číslo (j 2 = -1), ω je úhlová frekvence (2π/), f je frekvence elektromagnetického pole, Zrl =yi Zi , kde Zi je charakteristická impedance úseku přenosového vedení s prvním kalibračním vzorkem, C*i je permitivita prvního kalibračního vzorku, €*2 je permitivita druhého kalibračního vzorku ař'ýjc permitivita dielektrického substrátu.2. The method according to claim 1, characterized in that the field shape coefficients Ka and Kb are determined from the propagation constants of the calibration samples and the complex permittivity of the calibration samples and the dielectric substrate of the transmission line using the equations A K Y2 ě 1a~Y1 ě 2A ja)Z RL e^(e] — e 2 ) where yi is the propagation constant in the section of the transmission line with the first calibration sample, yr is the propagation constant in the section of the transmission line with the second calibration sample, / is an imaginary number (j 2 = -1), ω is angular frequency (2π/), f is the frequency of the electromagnetic field, Zrl =yi Zi , where Zi is the characteristic impedance of the section of the transmission line with the first calibration sample, C*i is the permittivity of the first calibration sample, €*2 is the permittivity of the second calibration sample ař' ýjc permittivity of the dielectric substrate. - 15 CZ 2022 - 253 A3- 15 CZ 2022 - 253 A3 3. Způsob podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že konstanta šíření v úseku přenosového vedení se vzorkem pro jeden kalibrační vzorek se určí z rozptylových parametrů na referenčních rovinách vymezujících pouze úsek přenosového vedení s tímto kalibračním vzorkem, které se získají pomocí numerického simulátoru elektromagnetického pole; a 5 hodnota konstanty šíření vlny v úseku vedení s tímto kalibračním vzorkem, označená jako yi , se určí z rovnic:3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the propagation constant in the section of the transmission line with the sample for one calibration sample is determined from the dispersion parameters on the reference planes defining only the section of the transmission line with this calibration sample, which are obtained using a numerical simulator electromagnetic field; and 5 the value of the wave propagation constant in the line section with this calibration sample, denoted as yi , is determined from the equations: cosh VaM · D)cosh VaM · D) -----------------------------l--------------------------(28) kde l je délka úseku přenosového vedení s prvním kalibračním vzorkem a kde parametry A, D se---------------------------- l -------------------- ------(28) where l is the length of the section of the transmission line with the first calibration sample and where the parameters A, D are 10 získají z rozptylových parametrů Sil, S12, S21, S22 jako:10 are obtained from the dispersion parameters Sil, S12, S21, S22 as: U + · (J - $22) + S12S21U + · (J - $22) + S 12 S 21 2S„ (29)2S„ (29) Ji-sn)fi+s22) + s12s2] Ji-s n )fi+s 22 ) + s 12 s 2] 2S?, (30)2S ? , (30) 4. Způsob podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že konstanta šíření γ2 na přenosovém vedení s druhým kalibračním vzorkem se určí pomocí stopové rovnice4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the propagation constant γ 2 on the transmission line with the second calibration sample is determined using the trace equation Tr{M2 · Mf7} - 2 · cosh(y; /) cosh(y2 · 0 - Q-y + yy) · sinh(y2 Z) siiih(y2 · 0, (31)Tr{M 2 · Mf 7 } - 2 · cosh(y ; /) cosh(y 2 · 0 - Qy + yy) · sinh(y 2 Z) siiih(y 2 · 0, (31) 15 kde γι je konstanta šíření na přenosovém vedení s prvním kalibračním vzorkem, l je délka úseku přenosového vedení s prvním kalibračním vzorkem, Tr značí stopový operátor, M2 je matice z měření s druhým kalibračním vzorkem, Mi je matice z měření s prvním kalibračním vzorkem, které se získají z naměřených rozptylových parametrů rovnicemi15 where γ is the propagation constant on the transmission line with the first calibration sample, l is the length of the transmission line section with the first calibration sample, Tr denotes the trace operator, M 2 is the matrix from the measurement with the second calibration sample, Mi is the matrix from the measurement with the first calibration sample , which are obtained from the measured scattering parameters by Eqs - 16CZ 2022 - 253 A3 , _ ^2.2- 16CZ 2022 - 253 A3 , _ ^2.2 12 — 7 >12 — 7 > d21 (34) τ — ^11 1 21 7—' *-*21 (35) d 21 (34) τ — ^ 11 1 21 7—' *-*21 (35) 5. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že se řešení stopové rovnice získá pomocí NewtonRaphsonovy metody.5. The method according to claim 4, characterized in that the solution of the trace equation is obtained using the NewtonRaphson method. 55 6. Způsob podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že konstanta šíření v úseku přenosového vedení s měřeným vzorkem se získá tak, že se rozptylové parametry přenosového vedení s měřeným vzorkem převedou na T-parametry, které tvoří matici Mu z měření s měřeným vzorkem pomocí rovnic6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the propagation constant in the section of the transmission line with the measured sample is obtained by converting the scattering parameters of the transmission line with the measured sample into T-parameters that form the Mu matrix from the measurement with the measured sample sample using Eqs - 17CZ 2022 - 253 A3- 17CZ 2022 - 253 A3 (37) τ - $22 (37) τ - $ 22 12 — F~>12 — F~> (38) kde(38) where Til Tj2 Til Tj 2 Til T22 (41) a následně se ze stopové rovnice získá yu ~ konstanta šíření v úsek přenosového vedení s měřeným 5 vzorkem pomocí rovnice (18):Til T 2 2 (41) and subsequently from the trace equation yu ~ the propagation constant in the section of the transmission line with the measured 5 sample is obtained using equation (18): Ττ{Μυ · M]1} = 2 · cosh(y7 · Z) cosh(yy · l) — · sinh(y7 · Z) sinh(y,7 · Z), (42) kde Mi a Mu jsou matice z naměřených rozptylových parametrů jednoho kalibračního vzorku a měřeného vzorku, yi je konstanta šíření úseku vedení s jedním kalibračním vzorkem a l je délka úseku přenosového vedení, přičemž řešení stopové rovnice se nalezne pomocí Newton-Raphsonovy 10 metody a přičemž pro určení fýzikálně správného řešení se použije heuristický algoritmus.Ττ{Μ υ · M] 1 } = 2 · cosh(y 7 · Z) cosh(y y · l) — · sinh(y 7 · Z) sinh(y, 7 · Z), (42) where Mi and Mu are the matrices from the measured scattering parameters of one calibration sample and the measured sample, yi is the propagation constant of the line section with one calibration sample and al is the length of the transmission line section, while the solution of the trace equation is found using the Newton-Raphson 10 method and while to determine the physically correct solution a heuristic algorithm is used. 7. Způsob podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že konstanta šíření yu v úseku přenosového vedení s měřeným vzorkem se dosadí do rovnice7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the propagation constant yu in the section of the transmission line with the measured sample is substituted into the equation [^běs + Κί6;] * [^ s + Κί 6 ;] * Ml / (43) kde Ka a Kb jsou koeficienty tvaru elektrického pole, yi je konstanta šíření v úseku přenosového 15 vedení s jedním kalibračním vzorkem, yu je konstanta šíření v úseku vedení s měřeným vzorkem, C*i je permitivita jednoho kalibračního vzorku a C*s je permitivita substrátu, a tak se získá komplexní permitivita C*u měřeného vzorku.Ml / (43) where Ka and Kb are the coefficients of the shape of the electric field, yi is the propagation constant in the section of the transmission line with one calibration sample, yu is the propagation constant in the section of the line with the measured sample, C*i is the permittivity of one calibration sample and C *s is the permittivity of the substrate, and thus the complex permittivity C*u of the measured sample is obtained. - 18CZ 2022 - 253 A3- 18CZ 2022 - 253 A3 8. Způsob podle nároku 6, vyznačující se tím, že heuristický algoritmus pro určení frekvenčních rozsahů platných řešení rovnice (42) se aplikuje tak, že se naměřené rozptylové parametry celého přenosového vedení, tedy i úseky před a za kalibračním vzorkem dosadí do rovnice . _ (2 + · (2 — S22) + S]3S31 ~ 2Š^} ' (44) (2-^)-(2+^) + 5^8. The method according to claim 6, characterized in that the heuristic algorithm for determining the frequency ranges of valid solutions of equation (42) is applied by inserting the measured dispersion parameters of the entire transmission line, i.e. the sections before and after the calibration sample, into the equation. _ (2 + · (2 — S 22 ) + S] 3 S 31 ~ 2Š^ } ' (44) (2-^)-(2+^) + 5^ 2S3! (45) cosh-2(\M r =--------Ϊ-------- (46) kde l je délka úseku přenosového vedení se vzorkem; tím se získají konstanty šíření yu· a y2c pro vedení s prvním a druhým kalibračním vzorkem, které se následně dosadí do stopové rovnice (24)·.2S 3! (45) cosh -2 (\M r =--------Ϊ-------- (46) where l is the length of the transmission line section with the sample; this gives the propagation constants yu· ay 2 c for the line with the first and second calibration samples, which are subsequently inserted into the trace equation (24)·. R = 2- coshÍKic 0 cosh(y2C · /) - (— + —) · sinh(r1C · /) sinh(^2C i) V2C Klí?7 R = 2- coshÍKic 0 cosh(y 2C · /) - (— + —) · sinh(r 1C · /) sinh(^ 2C i) V2C Key? 7 - Tr{M2 · Mf1}.- Tr{M 2 · Mf 1 }. (47) kde frekvenční rozsahy s platnými řešeními yu jsou ty, kde je |R|=< 100, přičemž |R| je definované jako absolutní hodnota reálné části komplexního čísla.(47) where the frequency ranges with valid solutions yu are those where |R|=< 100, where |R| is defined as the absolute value of the real part of a complex number. 9. Způsob podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že finální frekvenční průběh permitivity měřeného vzorku se získá tak, že se vybere fyzikálně správné řešení konstanty šíření yu pro každý frekvenční bod ve všech frekvenčních rozsazích s platnými výsledky tak, že se řešení stopové rovnice (18) získá vícekrát s náhodnými počáteční podmínkami Newton-Raphsonovy metody, a poté se vyberou ze souboru získaných řešení yu dvě řešení s nejnižší absolutní hodnotou a z nich se vybere heuristickým algoritmem řešení, které vede k správným hodnotám imaginární složky permitivity, a poté se ze zvolených řešení yu spočtou i hodnoty reálné složky permitivity, a poté se získaný frekvenční průběh proloží fúnkcí ω Eft + + 2-in (j + (ίωτπ)α)^ (48) kde + jc komplexní permitivita, C/, je vysoko-frekvenční limit permitivity, σι je nízkofrekvenční vodivost vzorku, Co je permitivita vakua ω je úhlová frekvence, suma Σ„ jednotlivých disperzních __ (1+(ίωτ„ )tt)0 členů pro efektivních n složek vzorku, A„ je dielektrický inkrement efektivní n-té 9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the final frequency course of the permittivity of the measured sample is obtained by choosing a physically correct solution of the propagation constant yu for each frequency point in all frequency ranges with valid results such that the trace solution equation (18) is obtained several times with random initial conditions of the Newton-Raphson method, and then the two solutions with the lowest absolute value are selected from the set of obtained solutions y and from them, the solution that leads to the correct values of the imaginary component of the permittivity is selected by a heuristic algorithm, and then from the selected solutions yu, the values of the real component of the permittivity are calculated, and then the obtained frequency course is interpolated with the function ω Eft + + 2-in (j + (ίωτ π ) α )^ (48) where + jc the complex permittivity, C/, is highly -frequency limit of permittivity, σ is the low-frequency conductivity of the sample, What is the permittivity of the vacuum, ω is the angular frequency, the sum Σ„ of individual dispersion __ (1+(ίωτ„ ) tt )0 terms for the effective n components of the sample, A„ is the dielectric increment effective n - those - 19CZ 2022 - 253 A3 složky měřeného vzorku, τ„ je charakteristický relaxační čas n-té složky vzorku, a a &β jsou parametry tvaru daného disperzního členu, a poté se iterativně odstraní odlehlé hodnoty.- 19CZ 2022 - 253 A3 components of the measured sample, τ„ is the characteristic relaxation time of the nth component of the sample, and and &β are the shape parameters of the given dispersion term, and then outliers are iteratively removed. 10. Způsob podle nároku 9, vyznačující se tím, že vzorek je vodný roztok, a tím, že heuristický algoritmus pro určení finálního frekvenčního průběhu permitivity měřeného vzorku se aplikuje tak, že se vybere fýzikálně správné řešení konstanty šíření yu pro každý frekvenční rozsah tak, že se řešení stopové rovnice (18) získá vícekrát s náhodnými počáteční podmínkami Newton-Raphsonovy metody a poté se vyberou ze souboru získaných řešení yu dvě řešení s nejnižší absolutní hodnotou a z nich se vybere to řešení, které vede k vyšším hodnotám imaginární složky permitivity v nízkofrekvenční části (f<f 1) a které vede k nižším hodnotám imaginární složky permitivity ve vysokofrekvenční části (l>f2), a poté se ze zvolených řešení yu spočtou i hodnoty reálné složky permitivity, a poté se získaný frekvenční průběh proloží funkcí / * (49) kde C*je komplexní permitivita, Ch je vysoko-frekvenční limit permitivity, σι je nízkofrekvenční vodivost vzorku, Co je permitivita vakua ω je úhlová frekvence, suma Σ„ jednotlivých disperzních členů pro efektivních n složek vzorku, A„ je dielektrický inkrement efektivní n-té složky měřeného vzorku, n je charakteristický relaxační čas n-té složky vzorku, a a a β jsou parametry tvaru daného disperzního členu, a poté se iterativně odstraní odlehlé hodnoty.10. The method according to claim 9, characterized in that the sample is an aqueous solution, and in that the heuristic algorithm for determining the final frequency course of the permittivity of the measured sample is applied by choosing a physically correct solution of the propagation constant yu for each frequency range such that that the solution of the trace equation (18) is obtained several times with random initial conditions of the Newton-Raphson method and then the two solutions with the lowest absolute value are selected from the set of obtained solutions y and from them the solution that leads to higher values of the imaginary component of the permittivity in the low-frequency part (f<f 1) and which leads to lower values of the imaginary component of the permittivity in the high-frequency part (l>f2), and then the values of the real component of the permittivity are calculated from the selected solutions yu, and then the obtained frequency course is interpolated with the function / * ( 49) where C* is the complex permittivity, Ch is the high-frequency permittivity limit, σι is the low-frequency conductivity of the sample, Co is the vacuum permittivity, ω is the angular frequency, the sum Σ„ of individual dispersion terms for the effective n components of the sample, A„ is the effective dielectric increment of the nth component of the measured sample, n is the characteristic relaxation time of the nth component of the sample, aaa β are the shape parameters of the given dispersion term, and then outliers are removed iteratively.
CZ2022-253A 2022-06-09 2022-06-09 A method to determine complex permittivity CZ2022253A3 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2022-253A CZ2022253A3 (en) 2022-06-09 2022-06-09 A method to determine complex permittivity

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2022-253A CZ2022253A3 (en) 2022-06-09 2022-06-09 A method to determine complex permittivity

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ309946B6 CZ309946B6 (en) 2024-02-21
CZ2022253A3 true CZ2022253A3 (en) 2024-02-21

Family

ID=89900639

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2022-253A CZ2022253A3 (en) 2022-06-09 2022-06-09 A method to determine complex permittivity

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ2022253A3 (en)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3036803B1 (en) * 2015-05-25 2017-07-07 Centre Nat Rech Scient PORTABLE DEVICE FOR MEASURING DIELECTRIC AND / OR MAGNETIC SAMPLING CHARACTERISTICS
CN106556748B (en) * 2016-11-22 2019-06-25 南京大学 The measuring device and method of thin-film material complex dielectric permittivity based on transmission bounce technique
US10900919B2 (en) * 2017-02-13 2021-01-26 Skyworks Solutions, Inc. Microwave cavity for permittivity measurements
JP6728112B2 (en) * 2017-08-10 2020-07-22 日本電信電話株式会社 Dielectric constant measuring system, dielectric constant measuring device and method
KR101983802B1 (en) * 2017-11-14 2019-09-03 국방과학연구소 Apparatus for measuring permittivity of doping layer using meta-material, Method thereof, and Computer readable storage medium having the method

Also Published As

Publication number Publication date
CZ309946B6 (en) 2024-02-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gabriel et al. Admittance models for open ended coaxial probes and their place in dielectric spectroscopy
Gregory et al. A review of RF and microwave techniques for dielectric measurements on polar liquids
Li et al. Determination of electromagnetic properties of materials using flanged open-ended coaxial probe-full-wave analysis
Göttmann et al. Coaxial to circular waveguide transition as high-precision easy-to-handle measuring cell for the broad band dielectric spectrometry of liquids
Knyazev et al. Dielectric permittivity and permeability measurement system
Hasar A new calibration-independent method for complex permittivity extraction of solid dielectric materials
Hasar et al. A microwave method based on amplitude-only reflection measurements for permittivity determination of low-loss materials
Hasar A generalized formulation for permittivity extraction of low-to-high-loss materials from transmission measurement
Alahnomi et al. Microwave planar sensor for permittivity determination of dielectric materials
Karim et al. Determination of complex permittivities of layered materials using waveguide measurements
Hasar Unique permittivity determination of low-loss dielectric materials from transmission measurements at microwave frequencies
Zhang et al. A free-space measurement technique of terahertz dielectric properties
Hasar Elimination of the multiple‐solutions ambiguity in permittivity extraction from transmission‐only measurements of lossy materials
Penaranda-Foix et al. Circuital analysis of cylindrical structures applied to the electromagnetic resolution of resonant cavities
Hasar A new microwave method based on transmission scattering parameter measurements for simultaneous broadband and stable permittivity and permeability determination
Hasar A new microwave method for electrical characterization of low-loss materials
CZ2022253A3 (en) A method to determine complex permittivity
Hasar Calibration-independent method for complex permittivity determination of liquid and granular materials
Shibata et al. Measurement of complex permittivity for liquids using the coaxial line reflection method
Yasin et al. Top loaded TM01δ mode cylindrical dielectric resonator for complex permittivity characterization of liquids
Tereshchenko et al. Measurement of complex permittivity of composite materials using waveguide method
Chudpooti et al. An Integrated 3D-Printed Lens with Ultra-Wideband Flower-Shaped Stub Antenna for Ethanol-Water Mixture Characterization
Tong et al. Determining the complex permittivity of powder materials from l-40GHz using transmission-line technique
Hasar Thickness-independent automated constitutive parameters extraction of thin solid and liquid materials from waveguide measurements
Shibata A Novel Sample Holder for S11 Calibration Using SOM for Dielectric Measurement in Liquids via the Cut-off Waveguide Reflection Method