DE102011088171A1

DE102011088171A1 - Verfahren und Vorrichtung zur kontaktlosen Messung einer elektrischen Feldverteilung

Info

Publication number: DE102011088171A1
Application number: DE102011088171A
Authority: DE
Inventors: Sherif Ahmed; Christian Evers
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2013-06-13

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur kontaktlosen Messung und Darstellung einer elektrischen Feldverteilung in einer zu untersuchenden elektronischen Komponente (15) werden Mikrowellen-Signale von der zu untersuchenden elektronischen Komponente (15) emittiert oder transmittiert und von einer Antennenvorrichtung (10), die eine Mehrzahl von Antennen (11) umfasst und eine Apertur (14) mit einer Aperturweite (D) aufspannen, empfangen. Dabei wird ein Abstand (L) zwischen der Antennenvorrichtung (10) und der zu untersuchenden elektronischen Komponente (15) so gewählt, dass der Abstand (L) größer als zwei Wellenlängen der gemessen Mikrowellen-Signale und kleiner als die 2-fache Aperturweite (D), bevorzugt kleiner als die einfache Aperturweite (D), ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontaktlosen Messung und ggf. Darstellung einer elektrischen Feldverteilung in einer zu untersuchenden elektronischen Komponente, wobei Mikrowellen-Signale von der zu untersuchenden elektronischen Komponente emittiert und/oder transmittiert werden und von einer Antennenvorrichtung detektiert werden.
Die von einem Gerät emittierten oder transmittierten elektromagnetischen Signale, insbesondere im Mikrowellenbereich, werden für unterschiedlichste Zwecke gemessen. Mobilfunkgeräte werden vor ihrer Zulassung auf die abgestrahlte Sendeleistung und Ausbreitungscharakteristik überprüft. Die abgestrahlten Mikrowellen-Signale liegen hauptsächlich im Bereich der Arbeitsfrequenz solcher Mobilfunksysteme, die in einem Frequenzbereich von z.B. etwa 800 MHz bis 2,6 GHz liegt. Ähnliche Untersuchungen gibt es auch für Geräte und Komponenten der Hochfrequenztechnik. Bei der Entwicklung von integrierten Schaltkreisen, insbesondere im Hochfrequenzbereich, sind Messungen elektrischer Feldverteilung hilfreich, um Fehler in den Schaltungen aufzuspüren. Ein direktes Vermessen der hochfrequenzführenden Leitungen ist mit großen Fehlern verbunden und somit wenig hilfreich, da ein mechanischer Kontakt das zu messende Signal stark beeinflusst.
Die US 2011/0193566 A1 beschreibt ein kontaktloses Mehrkanal-Nahfeld-Messsystem zum Messen, Testen und Verifizieren von Betriebsparametern solcher elektromagnetisch strahlenden Komponenten. Dabei wird das Nahfeld von elektromagnetischen Strahlungsquellen auf der zu untersuchenden Komponente mit einem Antennenarray detektiert und daraus eine Fernfeldverteilung der elektromagnetisch strahlenden Komponente berechnet. Die zu untersuchende Komponente ist während der Messung in einem Abstand vom Antennenarray positioniert, der lediglich ein halbes bis ein hundertstel der Wellenlänge λ des abgestrahlten Mikrowellen-Signals beträgt.
Da das Nahfeld einer Mikrowellen-Strahlungsquelle sehr stark von Umgebungseinflüssen durch umgebende Strukturen beeinflusst wird, enthalten die gemessenen Signale Störungen z.B. durch Reflexionen oder dynamische Kopplungen zwischen einzelnen Antennenelementen und der zu untersuchenden Komponente. Diese Störungen werden von einer Verarbeitungseinheit bewertet und durch aufwändige Korrekturmaßnahmen bei der Erstellung der Nahfeldverteilung berücksichtigt. Aus dieser korrigierten Nahfeldverteilung wird durch eine Transformation die Fernfeldverteilung der Strahlungsquelle ermittelt.
Diese Korrekturmaßnahmen sowie die Transformation vom Nahfeld auf das entsprechende Fernfeld bedingen einen hohen Rechenaufwand und erfordern somit sehr leistungsfähige Prozessoren bzw. sind mit einer längeren Auswertezeit verbunden. Nachteilig ist ebenfalls, dass verbleibende Störungen in den Signalen das Messergebnis verfälschen.
Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontaktlosen Messung und Darstellung von elektrischen Feldverteilungen zu schaffen, in dem bzw. in der kaum oder keine gegenseitigen Kopplungseffekte auftreten und die in kurzer Zeit eine genaue Bestimmung des elektrischen Feldes in der Ebene der zu untersuchenden Komponente ermöglichen und eine Lokalisierung einer Strahlungsquelle mit hoher Ortsauflösung erlauben.
Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 und die Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 11 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur kontaktlosen Messung einer elektrischen Feldverteilung in der Ebene einer zu untersuchenden elektronischen Komponente werden Mikrowellen-Signale von der zu untersuchenden elektronischen Komponente emittiert oder transmittiert und von einer Antennenvorrichtung, die eine Mehrzahl von Antennen umfasst und eine Aperturweite D aufspannen, empfangen. Dabei wird ein Abstand L zwischen der Antennenvorrichtung und der zu untersuchenden elektronischen Komponente größer als die 1,5-fache Wellenlänge der gemessen Mikrowellen-Signale und kleiner als die 2-fache Aperturweite D gewählt.
In dem genannten Abstand L sind Kopplungseffekte und Reflexionen zwischen den Antennen bzw. zwischen Antennenvorrichtung und der zu untersuchenden Komponente vernachlässigbar, sodass lediglich das Fernfeld einer Strahlungsquellen in der zu untersuchenden Komponente detektiert wird. Folglich sind keine oder kaum entsprechende Störungen im gemessenen Signal vorhanden und damit keine rechenintensiven und zeitaufwendigen Korrekturberechnungen bei der Auswertung notwendig. Die von der Antennenvorrichtung gemessenen Signale können direkt zur Ermittlung der Feldverteilung verwendet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, die elektrische Feldverteilung (Verteilung des elektrischen Feldes) in der Ebene der elektronischen Komponente durch eine Rückberechnung der Signalausbreitung auf die Signalquelle mit einem Nahfeld-Abbildungsalgorithmus, wie z.B. einem modifizierten Backprojection-Algorithmus, zu bestimmen. Diese Algorithmen liefern insbesondere bei Messungen in dem genannten Abstandsbereich eine gute Darstellung der elektrischen Feldverteilung in der Ebene der zu messenden Komponente.
Vorteilhaft ist es, wenn das emittierte oder transmittierte Mikrowellen-Signal zusätzlich von einer ortsfesten Referenzantenne empfangen wird und zur Korrelation der Phase mit den an der Antennenvorrichtung gemessenen Mikrowellen-Signalen verwendet wird. Für die Rückberechnung des elektrischen Feldes in der Ebene der zu untersuchenden Komponente ist es vorteilhaft, dass die von der zu untersuchenden Komponente emittierte oder durch sie hindurch transmittierte Mikrowellenstrahlung möglichst kohärent ist. Durch die Verwendung einer ortsfesten Referenzantenne kann auch die Feldverteilung einer sich periodisch ändernden Strahlungsquelle oder einer gepulsten Strahlungsquelle zurückberechnet werden. Ebenso ermöglicht das von der ortsfesten Referenzantenne aufgenommene Referenzsignal die Verwendung einer Antennenvorrichtung, die z.B. aus einer linearen Antennenanordnung besteht und durch mechanische Bewegung eine Apertur aufspannt. Dabei wird eine Korrelation zwischen der Phase des von der zu untersuchenden Komponente emittierten Mikrowellen-Signals, das einerseits von der Referenzantenne detektierte wird und andererseits von einem eindimensionalen Antennenarrays bzw. den Einzelantennen in einer bestimmten Position gemessen wird, möglich.
Es ist ebenfalls von Vorteil, wenn Mikrowellen-Signale bei einer vorher bestimmten Frequenz gemessen werden oder nacheinander bei mehreren Frequenzen, die in einem vorher bestimmten Frequenzbereich liegen, gemessen werden. Dabei wird durch eine vorherige Messung über einen großen Frequenzbereich eine Hauptfrequenz bestimmt, die mit hoher Intensität abgestrahlt wird. Durch eine nachfolgende Messung der Mikrowellen-Signale bei dieser Hauptfrequenz kann durch eine einzige Messung die elektrische Feldverteilung zuverlässig bestimmt werden, sodass sehr zeitnah eine bildliche Darstellung der Feldverteilung vorliegt. Dies ermöglicht eine schnelle Fehlersuche oder kann zur Überprüfung der zeitlichen Änderung der Feldverteilung verwendet werden.
Bei eher schwachen von der zu messenden Komponente ausgestrahlten oder transmittierten Mikrowellen-Signalen ist es vorteilhaft, wenn mehrere Frequenzen in einem vorher bestimmten Frequenzbereich in aufeinanderfolgenden Messungen vermessen werden. Durch z.B. eine Mittelung oder Summation der verschiedenen Messungen kann auch bei niedriger Signalstärke ausreichend Information gesammelt werden und eine genaue Abbildung der Feldverteilung erstellt werden.
Daneben kann durch das Messen bei mehreren Frequenzen eine Tiefenauflösung erzielt werden. Dazu ist es von Vorteil, wenn der Betrag der ermittelten elektrischen Feldverteilung, die bei einer Frequenz gemessen wurde, bestimmt wird und die Beträge von elektrischen Feldverteilungen bei jeweils unterschiedlichen Frequenzen addiert werden.
Es ist ebenfalls von Vorteil, wenn die Messung der Mikrowellen-Signale durch eine Detektion der vorbestimmten Messfrequenz im Referenzsignal getriggert wird. Dadurch wird lediglich eine Messung durchgeführt, wenn ein entsprechendes Mikrowellen-Signal z.B. mit ausreichender Leistung oder bei einer gewünschten Frequenz vorliegt, sodass bei jeder Messung ein genaues und verlässliches Ergebnis erzielt wird.
Es ist ebenfalls von Vorteil, wenn die Mikrowellen-Signale gleichzeitig bei mehreren Frequenzen gemessen werden. Dies ermöglicht es auch bei leistungsschwächeren Mikrowellen-Signalen ausreichend Signale zu ermitteln, um die elektrische Feldverteilung zu rekonstruieren. Bei stärkeren Mikrowellen-Signalen kann somit durch eine einzige Messung bereits eine Darstellung mit Tiefenschärfe, d.h. eine Auflösung in z-Richtung, erstellt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur kontaktlosen Messung einer elektrischen Feldverteilung einer elektronischen Komponente umfasst eine Antennenvorrichtung, die aus einer Mehrzahl von Antennen, die eine Apertur mit einer Aperturweite D aufspannen, gebildet ist und dazu geeignet ist, Mikrowellen-Signale zu empfangen. Sie umfasst des Weiteren eine Auswerteeinheit zur Durchführung eines Auswertealgorithmus. Der Abstand L zwischen der zu untersuchenden Komponente und der Antenneneinrichtung ist dabei größer als die 1,5-fache Wellenlänge der gemessenen Mikrowellen-Signale und kleiner als die 2-fache Aperturweite D. Überraschender Weise zeigen bei dem angegebene Verhältnis zwischen Aperturweite D und Abstand L die gemessenen Mikrowellen-Signale kaum noch Störungen durch Kopplungseffekte. Dies erlaubt eine Berechnung der elektrischen Feldverteilung auf der Ebene der zu untersuchenden Komponente mit einer sehr guten Auflösung.
Von Vorteil ist es, wenn die Antenneneinrichtung als zweidimensionales Antennenarray oder als eindimensionales Antennenarray, das durch mechanische Bewegung eine Apertur aufspannt, ausgebildet ist. Ein zweidimensionales Antennenarray ermöglicht eine simultane Messung der Mikrowellenstrahlung innerhalb der Apertur. Somit können auch zeitlich nicht kohärent strahlende oder transmittierende zu untersuchende Komponenten ohne zusätzliche Einrichtungen, wie z.B. eine Referenzantenne, vermessen werden. Ein eindimensionales Antennenarray ist mit weniger schnellen und komplexen Steuerungs- und Auslesevorrichtungen zu betreiben und somit kostengünstiger. Dennoch ist eine Antennenvorrichtung mit einer großen Aperturweite D einfach durch die mechanische Bewegung erzielbar.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Mikrowellen-Signale emittierenden zu untersuchenden Komponente in schematischer Darstellung;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem eindimensionalen Antennenarray als Antennenvorrichtung in schematischer Darstellung;
3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Mikrowellen-Signale transmittierenden zu untersuchenden Komponente in schematischer Darstellung und
4 eine Darstellung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemessenen Mikrowellen-Signale sowie die daraus berechnete elektrische Feldverteilung in der Ebene der zu untersuchenden Komponente.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Anhand der 1 wird das erfindungsgemäße Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung erläutert. Die Vorrichtung umfasst eine Antennenvorrichtung 10 mit einer Vielzahl von Antennen 11, die in einer Ebene beispielsweise parallel zur zu untersuchenden Komponente angeordnet sind. Eine zweidimensionale Anordnung in Form eines Antennenarrays 20 ist in 1 durch die gepunkteten Linien angedeutet. Die Antennenvorrichtung 10 weist somit eine Apertur 14 mit einer Aperturweite D auf. Bei einer beispielsweise quadratischen Antennenvorrichtung 10 entspricht die Aperturweite D in etwa einer Seitenlänge der Antennenvorrichtung 10. Jede Einzelantenne 11 ist beispielsweise als Hornantenne ausgebildet und ist zur Detektion von Mikrowellen-Signalen z.B. im Bereich zwischen 100 MHz und 1 THz, insbesondere in einem Bereich von 800 MHz bis 100 GHz, geeignet.
Die Antennenvorrichtung 10 ist mit einer Auswerteeinheit 12 und einer Darstellungseinheit 19 verbunden, die die gemessenen Mikrowellen-Signale aus der Antennenvorrichtung 10 ausliest und mit Hilfe eines implementierten Abbildungsalgorithmus die elektrische Feldverteilung in einer Messebene 18 ermittelt. Dabei können die Auswerteeinheit 12 und Darstellungseinheit 19 als separate Einheiten oder integriert, wie dargestellt, ausgeführt sein.
An die Auswerte- und Darstellungseinheit 12 ist im Ausführungsbeispiel des Weiteren eine Referenzantenne 13 angeschlossen. Die Referenzantenne 13 ist entweder als separate Antenne, die beispielsweise in unmittelbarer Nähe der Antennenvorrichtung angeordnet ist, ausgebildet oder es kann eine ausgewählte Einzelantenne 11 der Antennenvorrichtung 10 als Referenzantenne verwendet werden.
Eine zu untersuchende Komponente 15 ist in einer Messebene 18, die in etwa parallel zur Apertur 14 der Antennenvorrichtung 10 ausgerichtet ist, angeordnet. Die Messebene 18 bzw. die zu untersuchende Komponente 15 befindet sich in einem Abstand L von der Antennenvorrichtung 10.
Der Abstand L zwischen der Antennenvorrichtung 10 und der zu messenden elektronischen Komponente 15 wird größer als die 1,5-fache Wellenlänge, bevorzugt größer als die 2-fache oder 3-fache Wellenlänge und besonders bevorzugt größer als die 5-fache Wellenlänge der gemessenen Mikrowellen-Signale gewählt. Dabei nehmen mit zunehmendem Abstand L Kopplungseffekte zwischen Antenne und Detektor stark ab. Der Abstand L wird gleichzeitig auch kleiner als die 2-fache Aperturweite D, bevorzugt kleiner als die einfache Aperturweite D und besonders bevorzugt kleiner als ein Drittel der Aperturweite D gewählt, sodass im Abbildungsalgorithmus eine kugelförmige Wellenfronten des elektrischen Feldes angenommen werden können. Eine typische zu untersuchende Komponente 15 ist z.B. eine integrierte Schaltung auf einer bedruckten Leiterplatte mit mikrowellenführenden Strukturen 16 oder eine andere mikrowellenführenden Einheit. Dabei senden Mikrowellenelemente, wie z.B. Filter oder Verstärker oder auch sonstige strahlende Elemente, Mikrowellen-Signale aus. Dies gilt insbesondere für fehlerhafte oder schlecht abgestimmte Mikrowellenelemente.
Die Antennenvorrichtung 10 detektiert eine komplex-wertige Feldverteilung, die in der Entfernung L von der Mikrowellenstrahlungsquelle 17 vorliegt. Dabei wird eine Messung bei einer einzigen manuell ausgewählten Frequenz oder bei einer Anzahl von unterschiedlichen Frequenzen innerhalb eines Frequenzbereichs nacheinander gemessen oder es werden Signale mit Frequenzen eines Frequenzbereichs gleichzeitig detektiert. Es wird sowohl der Betrag als auch die Phase des Signals gemessen.
Um die elektrische Feldverteilung in der Messebene 18, in der sich die zu untersuchende Komponente 15 befindet, aus den Messdaten zu gewinnen, wird das gemessene komplexe-wertige Signal mit einem Abbildungsalgorithmus, der z.B. aus einem sogenannten Backprojection-Algorithmus (deutsch Rückausbreitungs-Algorithmus) abgeleitet ist, berechnet.
Dieser Rückausbreitungs-Algorithmus enthält angepasste Filtertechniken, um die gemessenen Wellenfronten zu korrelieren. Ein bevorzugter Abbildungsalgorithmus lautet in der Raumbereich
mit
Dabei bezeichnen

R: die elektrischen Feldverteilung einer Objektzelle der zu untersuchenden Komponente an den entsprechenden Koordinaten (x₀, y₀, z₀) in der Ebene der Strahlungsquelle 17,
f: die Frequenz,
M: die gemessenen Daten des gemessenen elektrischen Feldes, die von einer Einzelantenne 11 an der Stelle (x, y) in der Ebene der Apertur bei einer Frequenz f zur Zeit der Messung t_n gemessen wurde,
P(f, t_n): das an der Referenzantenne 13 gemessene Referenzsignal, das zur gleichen Zeit t_n wie die Messwerte des elektrischen Feldes M gemessen wurde,
∆r: den relativen geometrischen Abstand zwischen einem Messort (x, y) in der Antennenvorrichtung und einer zu untersuchenden Objektzelle am Ort (x₀, y₀, z₀) in der Messebene 18,
z₀: den Abstand zwischen Antennenvorrichtung 10 und der zu untersuchenden Komponente 15 und
c₀: die Lichtgeschwindigkeit.

Bei einer Messdauer kleiner als die Kohärenzdauer des gemessenen Mikrowellen-Signals ist die Messung eines Referenzsignals durch die Referenzantenne 13 nicht notwendig und der Term P(f, t_n) ergibt 1 und fällt damit weg. Dies ist z.B. auch bei der Verwendung eines zweidimensionalen Antennenarrays, wie in 1 abgebildet, durch die gleichzeitige Messung in der gesamten Apertur der Fall.
Bei zeitlich gepulsten Signalen wird bevorzugt durch die Referenzantenne die Spektrallinie des Signals überwacht um bei ihrem Auftreten die Messung durch die Antennenvorrichtung 10 zu triggern. Alternativ misst die Antennenvorrichtung 10 kontinuierlich das von der zu untersuchenden Komponente 15 ausgestrahlte Mikrowellen-Signal. Erst danach werden die verfügbaren Daten oder die bereits ausgewerteten und dargestellten Bilder ausgewählt.
Eine für die Implementierung in der Auswerte- und Darstellungseinheit 12, 19 besser geeignete Form des Abbildungsalgorithmus stellt dessen Darstellung in der Raum-Frequenz-Bereich als
dar. Dabei bezeichnet

FT_2D: eine zweidimensionale Fourier-Transformation bezüglich den räumlichen Dimensionen x und y der gemessenen Daten,
FT^–1 _2D: eine zweidimensionale inverse Fourier-Transformation bezüglich der Wellenzahl k_x in der Dimension x und der Wellenzahl k_y in der Dimension y,
z₀: den Abstand zwischen Antennenvorrichtung 10 und zu messender Komponente 15 bzw. zur Messebene 18,
k_x: die x-Komponente eines Wellenzahlvektors, die an der Stelle x der Antennenvorrichtung 10 vorliegt und
k_y: die y-Komponente des Wellenzahlvektors, die an der Stelle y der Antennenvorrichtung 10 vorliegt.

Dabei kann eine räumliche Auflösung ∆ von
erreicht werden, wobei

L: den Abstand zwischen Antennenvorrichtung 10 und der Messebene 18 der zu untersuchenden Komponente 15 und
D: die Aperturweite und
λ: die Wellenlänge der untersuchten Mikrowellen-Strahlung bezeichnen.

Ist der Abstand L klein gegenüber der Aperturweite D kann L vernachlässigt werden und die räumliche Auflösung ∆ ergibt sich zu ∆ = λ / 2
Durch Optimierung des Rückausbreitungs-Algorithmus unter Ausnutzung der Kohärenz kann die Auflösung noch um den Faktor 2 bis 4 verbessert werden. Bei Mikrowellen-Signalen von beispielsweise 30 GHz kann somit eine Auflösung von ca. 2,5 mm erreicht werden.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Messvorrichtung. Die Antennenvorrichtung 10 umfasst ein eindimensionales Antennenarray 21, das in Richtung des durchgezogenen Pfeils mechanisch bewegt wird und somit eine Apertur 14 aufspannt. Eine Apertur 14 kann auch durch eine Rotation des eindimensionalen Antennenarrays 21 z.B. um einen Punkt in der Mitte der Längsausrichtung oder um einen Randpunkt in Längsausrichtung erreicht werden. Die Antennenvorrichtung 10 kann auch eine Apertur in Form eines Teil-Zylindermantels oder in Form einer sonstig gekrümmten Ebene aufweisen, in 1 und 2 die sowohl durch ein eindimensionales als auch durch ein 2-dimensionales Antennenarray gebildet sein kann.
Die emittierten Mikrowellen-Signale, in 1 und 2 durch die gestrichelten Pfeile angedeutet, treten beispielsweise an einer Schadstelle 17 eines Gehäuses 21 aus und werden von der Antennenvorrichtung 10 empfangen. Die Auswerte- und Darstellungseinheit 12, 19 empfängt neben dem Messsignal der Antennenvorrichtung 10 die von der Referenzantenne 13 detektierten Signale und stellt eine Korrelation zu den Messsignalen her.
Mit einer solchen Anordnung kann eine große Aperturweite D hergestellt werden und dennoch die Auswertekapazität sowie die Komplexität der Antennenschaltungen gering gehalten werden. Somit können große Aperturen realisiert und damit Mikrowellen-Signale mit großer Wellenlänge vermessen werden.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer Antennenvorrichtung 10 und der angeschlossenen Auswerte- und Darstellungseinheit 12, 19 sowie eine Referenzantenne 13. Eine zu vermessende Komponente 15 sendet hierbei nicht selbst Mikrowellen-Signale aus, ist also nicht die Strahlungsquelle selbst, sondern wird von einer externen Strahlungsquelle 27 beleuchtet und die Antennenvorrichtung 10 nimmt lediglich transmittierte Mikrowellen-Signale auf. Die externe Strahlungsquelle 27 ist dabei ortsfest und auf der der Antennenvorrichtung 10 abgewandten Seite der zu messenden Komponente angeordnet. Hierbei wird nun der Transmissionsgrad der zu untersuchenden Komponente 15 bestimmt und somit ihre Absorptionseigenschaften ermittelt. Eine solche Messung kann auch zum Auffinden von undichten Stellen, Rissen oder Brüchen oder auch Materialschäden in einem Gehäuse oder in einer Platine verwendet werden.
4 zeigt Diagramme 30, 31, 32, 33 einer Simulation des Verfahrens. Dabei wird eine zu untersuchende Komponente mit zwei punktförmigen Strahlungsquellen 37, 38 angenommen, die sich an den in Diagramm 30 durch die Kreuze gekennzeichneten Positionen befinden. Die punktförmigen Strahlungsquellen 37, 38 emittieren beispielsweise Mikrowellen-Signale einer Frequenz von 24 GHz. Diagramm 31 zeigt die Intensität des elektrischen Feldes, die eine Antennenvorrichtung 10 im Abstand von 10 cm von der zu untersuchenden Komponente empfängt. Im Diagramm 32 ist entsprechend die von der Antennenvorrichtung 10 gemessene Phase des elektrischen Feldes gezeigt. Die Graustufung gibt dabei die Werte der gemessenen Signale entsprechend der jeweils rechts vom Diagramm gezeigten Legende an. Durch die Anwendungen des Abbildungsalgorithmus kann daraus eine Darstellung 33 der elektrischen Feldverteilung in der Messebene 18, d.h. in der Ebene der zu untersuchenden Komponente 15, berechnet und dargestellt werden.
Die beiden im Bild 30 gezeigten Strahlungsquellen können mit einer Auflösung besser als 5 mm lokalisiert und dargestellt werden.
Alle beschriebenen und/oder gezeichneten Merkmale können im Rahmen der Erfindung vorteilhaft miteinander kombiniert werden. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2011/0193566 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur kontaktlosen Messung einer elektrischen Feldverteilung in einer zu untersuchenden elektronischen Komponente (15), wobei Mikrowellen-Signale von der zu untersuchenden elektronischen Komponente (15) emittiert oder transmittiert werden und von einer Antennenvorrichtung (10), die mehrere Einzelantennen (11) mit einer Aperturweite D umfasst, empfangen werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand L zwischen der Antennenvorrichtung (10) und der zu messenden elektronischen Komponente (15) größer als die 1,5-fache Wellenlänge der gemessenen Mikrowellen-Signale und kleiner als die 2-fache Aperturweite D gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand L zwischen der Antennenvorrichtung (10) und der zu messenden elektronischen Komponente (15) größer als die 2-fache Wellenlänge, bevorzugt größer als die 3-fache Wellenlänge, besonders bevorzugt größer als die 5-fache Wellenlänge der gemessenen Mikrowellen-Signale gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand L kleiner als die einfache Aperturweite D, bevorzugt kleiner als ein Drittel der Aperturweite D, gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Feldverteilung in der Ebene (18) der elektronischen Komponente durch eine Rückberechnung der Signalausbreitung auf die Signalquelle (17) mit einem Nahfeld-Abbildungsalgorithmus bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das emittierte oder transmittierte Mikrowellen-Signal zusätzlich von einer ortsfesten Referenzantenne (13) empfangen wird und das an der Referenzantenne (13) gemessene Referenzsignal zur Korrelation der Phase mit den an der Antennenvorrichtung (10) gemessenen Mikrowellen-Signalen verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellen-Signale bei einer vorher bestimmten Frequenz gemessen werden oder nacheinander bei mehreren Frequenzen, die in einem vorher bestimmten Frequenzbereich liegen, gemessen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellen-Signale gleichzeitig bei mehreren Frequenzen gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Nahfeld-Abbildungsalgorithmus verwendet wird, der gegeben ist durch
mit
wobei R die elektrische Feldverteilung einer zu untersuchenden Objektzelle bei den Koordinaten (x_0, y₀, z₀) und der Frequenz f, M das in der Ebene (x, y) bei der Frequenz f und zum Zeitpunkt t_n gemessene komplexe elektrische Feld, P(f, t_n) das gemessene Referenzsignal einer Referenzantenne (13), das zum selben Zeitpunkt t_n wie das elektrische Feld gemessen wurde, ∆r den relativen geometrischen Abstand zwischen der Antennenvorrichtung (10) am Ort (x, y) und der zu untersuchenden Objektzelle am Ort (x₀, y₀, z₀) der zu untersuchenden Komponente (15) und c₀ die Lichtgeschwindigkeit bezeichnen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der ermittelten elektrischen Feldverteilung R, die bei jeweils unterschiedlichen Frequenzen f gemessen wurde, bestimmt wird und die Beträge der dabei gemessenen elektrischen Feldverteilungen R addiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Mikrowellen-Signale durch eine Detektion einer vorbestimmten Frequenz im Referenzsignal gestartet wird.
Vorrichtung zur kontaktlosen Messung einer elektrischen Feldverteilung einer elektronischen Komponente mit einer Antennenvorrichtung (10) mit mehreren Einzelantennen (11), die eine Apertur (14) mit einer Aperturweite D aufspannen und die geeignet sind Mikrowellen-Signale zu empfangen, und einer Auswerteeinheit (12) zur Durchführung eines Auswertealgorithmus dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand L zwischen der Antennenvorrichtung (10) und der zu messenden elektronischen Komponente (15) größer als die 1,5-fache Wellenlänge der gemessenen Mikrowellen-Signale und kleiner als die 2-fache Aperturweite D ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand L zwischen der Antennenvorrichtung (10) und der zu messenden elektronischen Komponente (15) größer als die 2-fache Wellenlänge, bevorzugt größer als die 3-fache Wellenlänge, besonders bevorzugt größer als die 5-fache Wellenlänge der gemessenen Mikrowellen-Signale ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand L kleiner als die einfache Aperturweite D, bevorzugt kleiner als ein Drittel der Aperturweite D, ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (12) so ausgebildet ist, dass ein Nahfeld-Abbildungsalgorithmus zur Rückberechnung der Signalausbreitung auf die Signalquelle (17) ausführbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenvorrichtung (10) als 2-dimensionales Antennenarray (20) oder als eindimensionales Antennenarray (21), das durch mechanische Bewegung eine Apertur (14) aufspannt, ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Referenzantenne (13) ortsfest in Bezug auf die elektronische Komponente (15) und die Antennenvorrichtung (10) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (12) derart ausgebildet ist, dass ein Nahfeld-Abbildungsalgorithmus ausführbar ist, der gegeben ist durch
mit
wobei R die elektrische Feldverteilung einer zu untersuchenden Objektzelle bei den Koordinaten (x₀, y₀, z₀) und der Frequenz f, M das in der Ebene (x, y) bei der Frequenz f und zum Zeitpunkt t_n gemessene komplexe elektrische Feld, P(f, t_n) das gemessene Referenzsignal einer Referenzantenne (13), das zum selben Zeitpunkt t_n wie das elektrische Feld M gemessen wurde, ∆r den relativen geometrischen Abstand zwischen der Antennenvorrichtung (10) am Ort (x, y) und der zu untersuchenden Objektzelle am Ort (x₀, y₀, z₀) der zu untersuchenden Komponente (15) und c₀ die Lichtgeschwindigkeit bezeichnen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, gekennzeichnet durch, eine Darstellungseinheit (19) zur Darstellung der bestimmten elektrischen Feldverteilung.