DE102016206362A1

DE102016206362A1 - Messvorrichtung und verfahren zum messen der dielektrischen permittivität eines dielektrischen mediums

Info

Publication number: DE102016206362A1
Application number: DE102016206362.6A
Authority: DE
Inventors: Tiziano Fabbri; Simon Tejero
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Continental Autonomous Mobility Germany GmbH
Priority date: 2016-04-15
Filing date: 2016-04-15
Publication date: 2017-10-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung (DMV) und ein Verfahren zur hochgenauen Messung der dielektrischen Permittivität (εr) eines dielektrischen Mediums (DM), umfassend eine erste Mikrostrip-Sendeantenne (TX1A) zum Aussenden einer Mikrowellenstrahlung (MWS), wobei die Mikrostrip-Sendeantenne (A1) in einer ersten Ebene (X, Y) angeordnet ist, eine Groundplane (G), auf der das dielektrische Medium angeordnet ist und einen Mikrowellen-Empfänger (RX1, RX1A), wobei der Mikrowellen-Empfänger (RX1, RX1A) mit einer Auswerteeinrichtung (AUS) verbunden ist, die eine Maximum-Gain-Bestimmungseinrichtung (BST) zum Bestimmen, auf Grundlage der empfangenen Mikrowellenstrahlung (MWS), der Winkelrichtung (θ1, θ2, θ3) des Maximum-Gains (MG1, MG2, MG3) der empfangenen Mikrowellenstrahlung (MWS), und eine Permittivität-Bestimmungseinrichtung (P) zum Bestimmen der dielektrischen Permittivität (εr) auf Grundlage der bestimmten Maximum-Gain-Winkelrichtung (θ1, θ2, θ3) umfasst.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung und ein Messverfahren zur Messung der dielektrischen Permittivität eines dielektrischen Mediums. Das Medium kann ein Festkörper sein oder eine Flüssigkeit bzw. ein Fluid.
Die Erfindung basiert auf einem Messprinzip unter Verwendung von Mikrowellen, jedoch in einem Frequenzbereich, der viel höher ist als das X-Band gemäß dem Standard IPC-TM-650, Nummer 2.5.5.5. Die Erfindung basiert zwar auf Mikrostrip-Antennen, verwendet aber eine völlig neuartige Technik und kann in einem Frequenzband mit sehr hohen Frequenzen, beispielsweise dem W-Band, hohe Genauigkeiten erzielen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Zur Messung der dielektrischen Konstanten (der dielektrischen Permittivität) existieren je nach Frequenzbereich unterschiedliche Messmethoden für die elektrische Charakterisierung eines dielektrischen Materials. Gebräuchliche Verfahren für eine Bestimmung der komplexen Permittivität beispielsweise auf einer gedruckten Schaltungsplatine (PCB Board) umfassen die Verwendung eines Ringresonators und Verfahren mit einem Mikrostrip mit differenzieller Phase. Für Laminate und auch einzelne Materialien wird im Allgemeinen das in dem Standard IPC TM-650 unter der Nummer 2.5.5.5 beschriebene Verfahren mit einer „clamped stripline“ verwendet. All diese Verfahren haben aber insbesondere bei sehr hohen Frequenzen, wie beispielsweise dem W-Band, eine unzureichende Genauigkeit und die Ergebnisse sind normalerweise nicht genau genug für einen Vergleich mit einer numerischen Simulation (zum Beispiel einer numerischen Finite Elemente oder Finite Differenzen Analyse).
Um eine höhere Genauigkeit zu erreichen muss die Messung bei höheren Frequenzen (kleineren Wellenlängen) ausgeführt werden. Allerdings ist bislang noch keine Messvorrichtung und kein Messverfahren beispielsweise bei Millimeter-Wellen für die elektrische Charakterisierung von unterschiedlichen Materialien angegeben worden. So betrifft beispielsweise das in dem Standard IPC-TM-650, Nummer 2.5.5.5 "Stripline Test for Permittivity an Loss Tangent (Dielectric Constant and Dissipation Factor)" angegebene Mikrostrip-Messverfahren nur Frequenzen im X-Band, d.h. 8,00–12,40 GHz. Über diesen Frequenzbereich hinaus gibt es keine standardmäßigen zugelassenen Verfahren.
Bei Megahertz Frequenzen schlägt der IPC Standard, der weitläufig verwendet wird, vor, mit einer Festklemmung einen großen Kondensator zu bauen, wobei das zu testende Material als Dielektrikum des Kondensators dient, wie in der hier beigefügten 15 gezeigt. Bei Megahertz Frequenzen lässt sich somit die dielektrische Permittivität über die Messung in Form eines Kondensators ermitteln. Dies ist bei höheren Frequenzen jedoch nicht möglich und die Ergebnisse bei niedriger Frequenz haben für ein höheres Frequenzband keine Gültigkeit.
Wie erwähnt ist der Frequenzbereich selbst bei der Verwendung von Mikrowellen und einem Mikrostrip-Resonator RS, wie in 15 gezeigt, im Frequenzband beschränkt. Die Anordnung ist ähnlich wie in 14, wobei das dielektrische Material DM zwischen die Groundplane (Masseebene) G und dem Resonator-Elementmuster RS platziert wird. Für eine Permittivitäts-Messung bei Gigahertz Frequenzen wird somit üblicherweise eine Q-O Messung (Quasi Optische Messung in Free Space) verwendet. Zudem werden im Millimeter-Mikrowellenbereich sowohl Quasi-Optische-Methoden als auch Resonator-Strukturen verwendet.
Ferner gibt es zur Bestimmung der dielektrischen Permittivität auch spektroskopische Techniken, die jedoch selten eingesetzt werden. All diese Verfahren weisen jedoch, wie bereits erwähnt, eine geringe Genauigkeit und zahlreiche andere Beschränkungen auf, zum Beispiel einen komplizierten Messaufbau, hohe Kosten etc.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es somit eine Messvorrichtung und ein Messverfahren zur Messung der dielektrischen Permittivität eines dielektrischen Mediums anzugeben, die im hochfrequenten Mikro- und Millimeterwellenbereich, zum Beispiel dem W-Band, arbeiten kann und die dielektrische Permittivität mit hoher Genauigkeit bestimmen kann.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Messvorrichtung zur Messung der dielektrischen Permittivität eines dielektrischen Mediums, umfassend eine erste Mikrostrip-Sendeantenne zum Aussenden einer Mikrowellenstrahlung, wobei die Mikrostrip-Sendeantenne in einer ersten Ebene angeordnet ist, eine Groundplane, wobei die Mikrostrip-Sendeantenne und die Groundplane so zueinander angeordnet sind, dass zwischen ihnen in einer zu der ersten Ebene im Wesentlichen senkrechten Richtung ein Spalt zur Aufnahme des dielektrischen Mediums gebildet ist, einen Mikrowellen-Empfänger, angeordnet zum Empfangen des Fernfelds der ausgesendeten Mikrowellenstrahlung, wobei der Mikrowellen-Empfänger mit einer Auswerteeinrichtung verbunden ist, die eine Maximum-Gain-Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen, auf Grundlage der empfangenen Mikrowellenstrahlung, der Winkelrichtung des Maximum-Gains der empfangenen Mikrowellenstrahlung, und eine Permittivität-Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen der dielektrischen Permittivität auf Grundlage der bestimmten Maximum-Gain-Winkelrichtung umfasst.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Messverfahren zur Messung der dielektrischen Permittivität eines dielektrischen Mediums, umfassend die folgenden Schritte Aussenden, durch eine erste Mikrostrip-Sendeantenne, die in einer ersten Ebene angeordnet ist, einer Mikrowellenstrahlung, wobei die Mikrostrip-Sendeantenne und eine Groundplane so zueinander angeordnet sind, dass zwischen ihnen in einer zu der ersten Ebene im Wesentlichen senkrechten Richtung ein Spalt zur Aufnahme des dielektrischen Mediums gebildet ist, Empfangen, mit einem Mikrowellen-Empfänger, des Fernfelds der ausgesendeten Mikrowellenstrahlung, und Bestimmen, mit einer Maximum-Gain-Bestimmungseinrichtung, auf Grundlage der empfangenen Mikrowellenstrahlung, der Winkelrichtung des Maximum-Gains der empfangenen Mikrowellenstrahlung, und Bestimmen, mit einer Permittivität-Bestimmungseinrichtung, der dielektrischen Permittivität auf Grundlage der bestimmten Winkelrichtung.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung und das erfindungsgemäße Messverfahren verwenden Mikrostripantennen, insbesondere ein Antennenarray in Form einer Comb-line Antenne. Bei derartigen Antennen wird der Antennen-Arrayfaktor durch den elektrischen Abstand der Abstrahlelemente bestimmt. Der elektrische Abstand von Antennenelement zu Antennenelement und die relative Wellenlänge ist dabei eine Funktion der dielektrischen Permittivität. Somit wird erfindungsgemäß über die Messung des Antennenmusters ermöglicht die Permittivität zu bestimmen. Unterschiedliche dieelektrische Permittivität beeinflussen die Form und insbesondere die Lage (Winkellage) des Antennenabstrahlmaximums und über die Bestimmung der Lage der maximalen Verstärkung (Maxmimum Gain) kann somit die dielektrische Permittivität zurückgerechnet werden (oder mit einer numerischen Simulation verglichen werden). Mit der Erfindung können beliebige Materialien charakterisiert werden und das Messverfahren und die Messvorrichtung weisen geringe Kosten und eine hohe Auflösung als Folge des hohen Frequenzbereichs auf.
Obwohl das Antennenabstrahlmuster hinsichtlich der Lage der maximalen Verstärkung (des Maximal Gains) in beliebigen Ebenen ausgewertet werden kann, ist es besonders vorteilhaft, d.h. genau, wenn die Maximum-Gain-Bestimmungseinrichtung die Maximum-Gain-Winkelrichtung in einer zur ersten Ebene senkrechten Ebene bestimmt oder wenn die Maximum-Gain-Bestimmungseinrichtung die Maximum-Gain-Winkelrichtung in der ersten Ebene bestimmt.
Nicht nur durch die absolute Winkellage der Richtung des maximalen Gains (der maximalen Verstärkung) lässt sich die Permittivität bestimmen, sondern auch auf Grundlage einer Winkeldifferenz. So ist es beispielsweise möglich für ein Referenzmaterial (zum Beispiel ε_r = 1) eine Referenzlage zu bestimmen, dann eine Messung vorzunehmen mit dem zu messenden dielektrischen Material und auf Grundlage der bestimmten Maximum-Gain-Winkelrichtung und der Referenzwinkelrichtung des Gains der Referenzmikrowellenstrahlung die Permittivität zu bestimmen.
Obwohl beliebige Mikrostrip-Antennenmuster für das erfindungsgemäße Messverfahren und die erfindungsgemäße Messvorrichtung verwendet werden können, ist die Mikrostrip-Sendeantenne vorteilhafter Weise ein Antennenarray, insbesondere ein Comb-line Antennenarray, welches eine Antenne mit einem hohen Gain bereitstellt.
Zur Vermessung des Antennenabstrahlmuster der Mikrostrip-Sendeantenne kann in vorteilhafter Weise der Mikrowellen-Empfänger in einem Abstand von der Mikrostrip-Sendeantenne in deren Strahlungsrichtung angeordnet werden und durch Auswertung des vom Mikrowellenempfänger aufgenommenen Abstrahlungsmusters kann die Richtung des Maximum-Gain bestimmt werden. Beispielsweise kann die Maximum-Gain-Bestimmungseinrichtung eine Scaneinrichtung umfassen, die den Mikrowellen-Empfänger durch das Strahlungsfeld der Mikrostrip-Sendeantenne bewegt, wobei der Ausgang des Mikrowellen-Empfängers überwacht werden kann und bei hoher Intensität die maximale Intensität bzw. die maximale Verstärkung anzeigt.
In vorteilhafter Weise kann der Mikrowellen-Empfänger eine erste Mikrostrip-Empfangsantenne umfassen. Diese kann ebenfalls als Comb-line-Mikrostrip-Antenne ausgeführt sein, wie die Mikrostrip-Sendeantenne. Sie muss aber nicht notwendigerweise auf dem gleichen Substrat angeordnet sein.
Anstelle einer Bewegung eines Mikrowellen-Empfängers durch das Strahlungsfeld der von der Mikrostrip-Sendeantenne abgegebenen Mikrowellenstrahlung, können in vorteilhafter Weise die erste Mikrostrip-Sendeantenne und die erste Mikrostrip-Empfangsantenne nebeneinander in der ersten Ebene angeordnet werden, zum Beispiel auf der Oberfläche eines zu messenden dielektrischen Substrats. Somit kann die dielektrische Permittivität an einem Ort gemessen werden, ohne dass es einer Bewegung der Mikrostrip-Empfangsantenne bzw. der Mikrowellen-Empfängers bedarf.
Wenn die erste Mikrostrip-Sendeantenne und die erste Mikrostrip-Empfangsantenne in der gleichen Ebene, beispielsweise auf einem gemeinsamen dielektrischen Substrat, angeordnet sind, kann es vorteilhaft sein, damit die Empfangsantenne die Strahlung der Sendeantenne empfangen kann, einen Reflektor in der Strahlungsrichtung der Mikrostrip-Sendeantenne anzuordnen.
Damit das Abstrahlmuster hinsichtlich der Lage der maximalen Verstärkung genau ausgewertet werden kann, ist es vorteilhaft, wenn die erste Mikrostrip-Sendeantenne und die erste Mikrostrip-Empfangsantenne seriell gespeiste Mikrostripantennen sind.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn das dielektrische Medium ein dielektrisches Substrat ist, die erste Mikrostrip-Sendeantenne und die erste Mikrostrip-Empfangsantenne auf einer ersten Oberfläche des Substrats angeordnet sind und die Groundplane auf einer gegenüberliegenden Oberfläche des Substrats angeordnet ist. Damit lassen sich beispielsweise leicht PCB Boards usw. vermessen, wenn sie als das dielektrische Substrat in die Messvorrichtung eingelegt werden.
Für flüssige bzw. fluidmäßige dielektrische Medien umfasst die Messvorrichtung ferner einen Fluidbehälter, in dem das dielektrische Fluid auf eine vorgegebene Höhe eingefüllt ist und an dessen Boden die Groundplane vorgesehen ist, wobei die Mikrostrip-Sendeantenne und die Mikrostrip-Empfangsantenne in einer Ebene auf der Oberfläche des Fluids angeordnet sind. Während für Flüssigkeiten normalerweise Spektrometer im Terahertz Bereich oder Infrarot-Spektrometer verwendet werden, ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Messverfahrens und der erfindungsgemäßen Messvorrichtung viel kostengünstiger. Zudem analysieren Spektrometer und Q-O Messvorrichtungen die durch das Material bzw. die Flüssigkeit tretende Strahlung, was nachteilig ist, während mit der Erfindung in vorteilhafter Weise auch Flüssigkeiten einfach vermessen werden können.
In vorteilhafter Weise kann eine Drehvorrichtung vorgesehen sein, die das Substrat mit der ersten Mikrostrip-Sendeantenne und der ersten Mikrostrip-Empfangsantenne in einem vorgegebenen Winkelbereich dreht. Mit der Drehvorrichtung kann das erfindungsgemäße Messverfahren mit den folgenden Schritten ausgeführt werden: Anordnen eines Reflektors im Strahlungsfeld der ersten Mikrostrip-Sendeantenne, wobei die von der ersten Mikrostrip-Sendeantenne ausgesendete Mikrowellenstrahlung zu der ersten Mikrostrip-Empfangsantenne zurückreflektiert wird, Drehen des Substrats um einen vorgegebenen Winkelbereich, und Bestimmen der Winkelrichtung des Maximum-Gains, wenn im Ausgangssignal der ersten Mikrostrip-Empfangsantenne ein Maximum auftritt.
Wenn beispielsweise PCB Boards oder andere Laminate (flächenhafte dielektrische Materialen) vermessen werden sollen, ist es somit lediglich erforderlich auf dem PCB Board usw. zwei Antennenstrukturen als Mikrostrip-Antennen vorzusehen und in die Drehvorrichtung einzuspannen, wonach die Bestimmung der dielektrischen Permittivität automatisch erfolgen kann, zum Beispiel die Bestimmung des gesamten Abstrahlmusters, der Punkte mit höchster Intensität bzw. Verstärkung und die Berechnung der elektrischen Permittivität durch einen Vergleich mit einer numerischen Simulation.
Es ist weiter vorteilhaft, wenn eine Kalibrierungseinrichtung CAL vorgesehen wird, die mit einer zweiten Mikrostrip-Sendeantenne und einer zweiten Mikrostrip-Empfangsantenne verbunden ist, zur Kalibrierung von Positionsfehlern der Antennen. Mit der zweiten Mikrostrip-Sendeantenne und der zweiten Mikrostrip-Empfangsantenne können somit Positionsfehler an der Messstelle ausgeglichen werden.
Um eine hohe Verstärkung und ein schmales Abstrahlmuster von der ersten oder der zweiten Mikrostrip-Sendeantenne zu erhalten, bietet es sich ferner an, zwei Spalten von Antennen jeweils zu verwenden. Damit können unerwünschte Oberflächenwellen (die Ungenauigkeiten verursachen können) durch Verschmälern des Abstrahlmusters verringert werden.
Weitere Vorteile, Ausführungsformen und Verbesserungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Nachstehend wird die Erfindung anhand ihrer vorteilhafte Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung DMV zur Messung der dielektrischen Permittivität eines dielektrischen Materials DM;
2 einen Überblick über Ausführungsformen der ersten Mikrostrip-Sendeantenne TX1A;
3 und 4 jeweils typische Abstrahlungsmuster mit einem maximalen Gain MG von Mikrostrip-Antennen, wobei das Abstrahlmuster NL beispielhaft eine Antenne ohne eine Linse zeigt, das Abstrahlungsmuster OLF eine mit einer Linse fokussierte Antenne betrifft und der Kurvenzug BL eine mit einer Linse fokussierte Mikrostripantenne darstellt;
5 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Messverfahrens;
6 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung DSM, wobei die Mikrostrip-Sendeantenne TX1A und die Mikrostrip-Empfangsantenne RX1A auf dem gleichen Substrat, das vermessen werden soll, angeordnet sind und eine Drehvorrichtung RO und ein Reflektor RF vorgesehen ist;
7 eine Draufsicht auf das Substrat der 6 von oben, wobei jeweils für die Mikrostrip-Sendeantenne TX1A und die Mikrostrip-Empfangsantenne RX1A doppelspaltige (doppelreihige) Mikrostrip-Antennen verwendet werden;
8 ein Diagramm von Strahlungsmustern bei unterschiedlichen Winkeln θ1, θ2, θ3, die die Winkellage der unterschiedlichen maximalen Gains MG1, MG2, MG3 von verschiedenen dielektrischen Materialien zeigen;
9 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messverfahrens für die in 6 gezeigte Messvorrichtung;
10 eine Ausführungsform der Messvorrichtung, bei der zwei Mikrostrip-Sendeantennen TX1A, TX2A und zwei Mikrostrip-Empfangsantennen RX1A, RX2A zur Kompensation von Positionsfehlern und Ausrichtungsungenauigkeiten gezeigt sind;
11 ein Beispiel der Messvorrichtung gemäß 6 zur Vermessung eines PCB Laminat;
12a eine Ansicht eines Reflektors, der in einer Radarkammer gegenüberliegend zu der Messvorrichtung gemäß 6 angeordnet ist, zur Reflektion der von der Mikrostrip-Antenne ausgesendeten Mikrowellenstrahlung;
12b eine Ansicht der Messvorrichtung gemäß 6 mit einer Drehvorrichtung in der Radarkammer;
13 eine Ansicht der erfindungsgemäßen Messvorrichtung, angewendet auf die Messung der dielektrischen Permittivität einer dielektrischen Flüssigkeit DM in einem Behälter BX;
14 eine herkömmliche Messvorrichtung in Form einer Kondensatoranordnung; und
15 eine herkömmliche Messvorrichtung mit einem Mikrostrip-Resonator RS.
Für die nachstehende Beschreibung der Erfindung sei darauf hingewiesen, dass diese nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern andere Ausführungsformen und Kombinationen der technischen Merkmale umfassen kann, die in den Figuren und in der Beschreibung getrennt dargestellt und beschrieben werden. Die Erfindung umfasst somit sämtliche Abänderungen, die von Durchschnittsfachleuten auf Grundlage der vorliegenden Offenbarung durchgeführt werden können und in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.
Obwohl nachstehend spezifische Geometrien dargestellt und beschrieben werden, ist die Erfindung ferner nicht auf die dargestellten Geometrie und Abmessungen oder Frequenzen beschränkt. Insbesondere sei darauf hingewiesen, dass die nachstehende Beschreibung sich auf bestimmte Ausführungsformen der Erfindung bezieht, die im Zusammenhang mit einer Messevorrichtung zur Vermessung von Luft, Silizium, Flüssigkeiten, Plastik, Sand, PCB Materialien d.h. beliebige Materialen, beschrieben werden. Jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt und sie kann für beliebige Materialien angewendet werden, sogar für biologisches Material. Obwohl die Erfindung zudem anhand der Ausführungsformen und der Verwendung der W-Band Frequenzen beschrieben wird, um eine sehr hohe Genauigkeit zu erreichen, ist die Erfindung natürlich nicht auf dieses Frequenzband beschränkt und kann auch bei niedrigeren oder höheren Frequenzen angewendet werden.
PRINZIP DER ERFINDUNG
Die nachstehend beschriebene Messvorrichtung und das nachstehend beschriebene Messverfahren basieren grundlegend auf der Messung bzw. Bestimmung bzw. Versetzung oder Verschiebung der Richtung der maximalen Verstärkung (der höchsten Intensität bzw. des Maximum-Gains) eines Abstrahlmusters einer Mikrostrip-Sendeantenne. Insbesondere in einer seriell gespeisten Mikrostrip-Antenne hängt die Richtung der maximalen Verstärkung der Antenne von der dielektrischen Permittivität des Substrats, auf dem die Mikrostrip-Antenne platziert ist, ab. Je höher die Verstärkung (Gain) ist, desto stärker ist auch diese Abhängigkeit.
Die Tatsache, dass sich das Abstrahlungsmuster einer Mikrostrip-Antenne in Abhängigkeit von der dielektrischen Permittivität ändert, d.h. winkelmäßig hinsichtlich der stärksten Strahlungsintensität ändert, hängt grundlegend damit zusammen, dass, wie dem Durchschnittsfachmann bekannt ist, die Wellenlänge, mit der das Antennenarray abstrahlt, mit der elektrischen Permittivität zusammenhängt bzw. von dieser abhängt. Die Richtung der maximalen Abstrahlung eines Antennenarrays in der Boresight-Richtung (Mittelachse der Antenne; 0° oder Z positiv) wird normalerweise dadurch erhalten, dass alle Elemente bei halber Wellenlänge in dem Substrat nebeneinander angeordnet werden (Lambda/2). Je nach Antennentyp werden auch andere Abstände zwischen den Elementen gewählt. So wird z.B. für Patch-Arrays eine Wellenlänge, für einseitige Comblines eine Wellenlänge und für zweiseitige Comblines (wie z.B. in 2C) eine halbe Wellenlänge verwendet. Es gibt aber auch Antennen mit Elementen, die einen Abstand einer Viertelwellenlänge zwischen den Elementen aufweisen.
Die Wellenlänge Lambda hängt von der Substrat-Permittivität ε_r folgendermaßen ab:
(c_o: Lichtgeschwindigkeit; f: Frequenz; ε_r: dielektrische Permittivität). Die angegebene Formel gilt beispielhaft für eine Welle, die sich nur in dem Substrat ausbreitet. Für eine Mikrostreifenleitung, die nachstehend betrachtet wird, wird die effektive Permittivität ε_reff verwendet. Diese hängt von ε_r und der Geometrie der Mikrostreifenleitung ab. Wenn der Elementzwischenabstand zwischen den einzelnen Antennenabschnitten (Stubs) größer oder kleiner als Lambda/2 gemacht wird, führt dies dazu, dass die Antenne scannt, d.h. eine maximale Abstrahlrichtung aufweist, die unterschiedlich 0° ist. Um also die Antenne beispielsweise im Radarbereich einen Scanvorgang auszuführen zu lassen, d.h. die maximale Abstrahlrichtung winkelmäßig zu drehen, kann man entweder die Frequenz f oder die Substratpermittivität ε_r ändern. Während eine Antenne bei fester Permittivität ε_r und beispielsweise variabler Frequenz f zum Scannen betrieben wird, basiert die erfindungsgemäße Messvorrichtung und das erfindungsgemäße Messverfahren auf der Verwendung einer festen Frequenz f, beispielsweise 77 GHz, und einer variablen Permittivität ε_r, die von Material zu Material unterschiedlich ist.
Während also beim normalen Antennenbetrieb die Permittivität fest ist und eine (gewünschte) Verschiebung bzw. Verdrehung der Richtung der maximalen Verstärkung (der maximalen Intensität) über die variable Frequenz bewirkt wird, wird erfindungsgemäß die Frequenz festgehalten und über die Bestimmung der Winkeldrehung der maximalen Verstärkung auf die Permittivität ε_r zurückgeschlossen. Da es lediglich der Auswertung der Richtung der maximalen Intensität bedarf, kann die erfindungsgemäße Messvorrichtung und das erfindungsgemäße Messverfahren auf beliebige Materialien angewendet werden, zum Beispiel Luft (ε_r = 1), Silizium, Plastik, Sand, PCB Materialien und sogar biologische Materialien. Ferner ist die vorliegende Erfindung auch nicht auf die Vermessung von Festkörpern oder gelartigen Substanzen beschränkt, sondern kann auch die elektrische Permittivität von Flüssigkeiten bestimmen.
Da Messfrequenzen im W-Band, zum Beispiel 77 GHz, verwendet werden, ist eine extrem hohe Genauigkeit möglich, obwohl die Messvorrichtung für beliebige Materialen einsetzbar ist. Auch für Flüssigkeiten müssen keine aufwendigen Terahertz oder Infrarot-Spektrometer verwendet werden, was die Kosten für die Vermessung von Flüssigkeiten stark herabsetzt.
MESSVORRICHTUNG UND MESSVERFAHREN
1 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Messvorrichtung DMV gemäß der Erfindung. Im Zusammenhang damit zeigt 5 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Messverfahrens.
In 1 ist eine erste Mikrostrip-Sendeantenne TX1A gezeigt, die eine Mikrowellenstrahlung MWS aussendet. Zwischen der ersten Mikrostrip-Sendeantenne TX1A und einer Masseebene (die (nachstehend als Groundplane bezeichnet) G ist das zu messende dielektrische Medium DM angeordnet. Die Masseebene G, das dielektrische Medium DM und die erste Mikrostrip-Sendeantenne TX1A weisen damit den Aufbau einer gängigen Mikrowellen-Sendeantenne auf, wie dem Durchschnittsfachmann bekannt ist. Die erste Mikrostrip-Sendeantenne TX1A ist in einer ersten Ebene X, Y angeordnet.
Ein Mikrowellenempfänger RX1 empfängt das Fernfeld MWFF der Mikrowellenstrahlung MWS. Obwohl ein geringer Strahlungsanteil auch in der X, Y Ebene vorhanden ist, strahlt die erste Mikrostrip-Sendeantenne TX1A vorwiegend in der dazu senkrechten Ebene Y, Z ab. Das Fernfeld sieht typischerweise so aus, wie in 3 und 4 für einige Beispiele gezeigt. 3 zeigt den typischen Verlauf des Abstrahlungsmusters mit einem Maximum der Energie bei θ = 0°. 4 vergleicht ein Strahlungsmuster BL für eine mit einer Linse fokussierte Mikrostripantenne mit dem Muster NL einer Antenne ohne Linse und mit Messdaten OLF für eine fokussierte Antenne. Typisch für die Abstrahlmuster im Fernfeld ist das Maximum MG und die Nebenmaxima (wie ein Fresnel Beugungsmuster). Typischerweise wird die Breite von derartigen Maxima über die Auswertung der „3 dB Breite“ bestimmt. Das Abstrahlmuster hängt natürlich von der Frequenz, der Beabstandung der Abstrahlelemente (Patches) der Mikrostreifenantenne, sowie der dielektrischen Permittivität ε_r ab, wie voranstehend erläutert.
4 zeigt ein relativ schmales Maximum MG während 3 ein relativ breites Maximum MG zeigt. Wie sich dem X, Y, Z Koordinatensystem in 1, 3 und 4 entnehmen lässt, entsteht das Abstrahlmuster in der X, Z Ebene. Der Mittelpunkt Z des Koordinatensystems liegt in ungefähr der Mitte der ersten Mikrostrip-Sendeantenne TX1A, wie schematisch in 1 angezeigt. Wenn B die Länge der Mikrostrip-Sendeantenne TX1A bezeichnet, dann liegt das Zentrum C in der Mitte der Länge der Antenne und wenn die Antenne völlig symmetrisch bezüglich der Mitte aufgebaut ist, dann tritt auch das Maximum MG in der Mitte auf. Wie bereits erwähnt ist die Abstrahlintensität links und rechts von der Mitte geringer, wie in 3 und 4 gezeigt.
Der Mikrowellen-Empfänger RX1, der beispielsweise ebenfalls aus einer ersten Mikrostrip-Empfangsantenne RX1A bestehen kann, ist mit einer Auswerteeinrichtung AUS verbunden. Die Auswerteeinrichtung AUS umfasst eine Maximum-Gain-Bestimmungseinrichtung BST zum Bestimmen der Winkelrichtung θ des Maximum-Gains (der maximalen Intensität bzw. Verstärkung) der empfangenen Mikrowellenstrahlung MWFF und eine Permittivität-Bestimmungseinrichtung P zum Bestimmen die Permittivität ε_r auf Grundlage der bestimmten Maximum-Gain Winkelrichtung θ. Ferner ist eine nachstehend beschriebene Scaneinrichtung SC, sowie optional eine Kalibrierungseinrichtung CAL vorgesehen.
Bei dem erfindungsgemäßen Messverfahren, wie in 5 gezeigt, wird das bekannte Scannen einer Mikrostrip-Antenne umgekehrt, wie bereits voranstehend hinsichtlich des Prinzips der Erfindung erläutert. D.h., die Maximum-Gain-Bestimmungseinrichtung BST bestimmt für jedes dielektrische Medium DM die (Winkel-)Lage der maximalen Intensität bzw. des maximalen Gains (Verstärkung) in dem θ Winkelbereich in der Ebene X, Z, die im Wesentlichen senkrecht zur ersten Ebene X, Y ist. Da die Frequenz konstant gehalten wird, kann dem Ausmaß der Verschiebung des Maximum MG jeweils eine andere Permittivität ε_r zugeordnet werden.
So wird im Schritt S0 in 5 das dielektrische Medium DM in dem Abstand D zwischen der Groundplane G und der ersten Mikrostrip-Sendeantenne TX1A angeordnet. Im Schritt S1 sendet die erste Mikrostrip-Sendeantenne TX1A die Mikrowellenstrahlung MWS aus und der Mikrowellen-Empfänger RX1 empfängt die Strahlung MWFF des Fernfelds im Schritt S2. Insbesondere ermittelt der Mikrowellen-Empfänger RX1 das Abstrahlmuster bzw. das Muster der maximalen Verstärkung, wie beispielhaft in 3 oder 4 gezeigt. Die Maximum-Gain-Bestimmungseinrichtung BST bestimmt auf Grundlage einer Auswertung der empfangenen Mikrowellenstrahlung MWFF die Winkelrichtung θ der Maximum-Gain im Schritt S3. Aus der Winkellage (bzw. Verschiebung) des Maximum-Gains MG kann die Permittivität-Bestimmungseinrichtung P die dielektrische Permittivität ε_r zurückrechnen oder durch Vergleich des Strahlungsmusters mit einer numerischen Simulation die dielektrische Permittivität indirekt bestimmen. Dies geschieht im Schritt S4.
Wenn die Permittivität aus der Winkelrichtung θ_max der maximalen Verstärkung berechnet werden soll, kann folgende Formel verwendet werden: ∆ε_r/ε_r = 2/sqrt(ε_r)sin(θ_max) wobei ∆ε_r die Abweichung zu der erwarteten Permittivität ε_r ist und θ_max die Richtung des Maximums ist und sqrt der Wurzeloperator ist.
8 zeigt ein typisches Abstrahlmuster mit unterschiedlichen Maxima MG1, MG2, MG3 an unterschiedlichen Winkeln θ1, θ2, θ3 für drei verschiedene Permittivitäten ε_r = 3,0, 3,1 und 3,2. Bestimmt die Maximum— Bestimmungseinrichtung BST zum Beispiel den Winkel θ1 des Maximum MG1, so kann über die Verschiebung des Maximums von θ = 0° eine Permittivität von 3,2 zugeordnet werden. Empfängt der Mikrowellen-Empfänger RX1 ein Abstrahlmuster, welches das Maximum MG2 bei θ2 aufweist, so kann auf eine Permittivität von 3,1 zurückgeschlossen werden. Empfängt der Mikrowellen-Empfänger RX1 dagegen ein Abstrahlmuster mit dem Maximum MG3 bei dem Winkel θ3, so wird auf eine Permittivität von 3,0 zurückgeschlossen, z.B. mit Hilfe der oben angegeben Formel ∆ε_r/ε_r = 2/sqrt(ε_r)sin(θ_max).
Wie unter Bezugnahme auf 1, 5 und 8 ersichtlich, kann bei dem Messverfahren gemäß der Erfindung die (Winkel-)Lage des Maximum-Gains MG aus dem Abstrahlmuster, das von dem Mikrowellen-Empfänger RX1 aufgenommen wird, ermittelt werden. Verschiedene Ausführungsformen sind möglich, wie der Mikrowellen-Empfänger RX1 diese Abstrahlcharakteristik aufnehmen kann, damit die Bestimmungseinrichtung BST die Lage des Maximum MG bestimmen kann.
In einigen Ausführungsformen ist es nicht explizit erforderlich die gesamte Abstrahlcharakteristik aufzunehmen bzw. abzuscannen, sondern es kann lediglich der Ausgang des Mikrowellen-Empfängers RX1 betrachtet werden, wenn er durch das Abstrahlmuster winkelmäßig gedreht wird. Dies ist die Aufgabe der speziellen Ausführungsform der Scaneinrichtung SC, die in 1 gezeigt ist. Wie mit den Pfeilen SC1, SC2 in 1 angedeutet bewegt die Scaneinrichtung SC den Mikrowellen-Empfänger RX1 durch das Strahlungsfeld MWFF der Mikrostrip-Sendeantenne TX1A, um in vorteilhafter Weise die Winkellage des Maximum MG zu bestimmen. Dabei ist eine mechanische Bewegung (Drehung) des Mikrowellen-Empfängers RX1 möglich, es ist aber auch möglich dies „elektrisch“ zu bewirken, beispielsweise durch Verwendung einer ersten Mikrostrip-Empfangsantenne RX1A, die ähnlich ausgebildet sein kann wie die Mikrostrip-Sendeantenne TX1A.
Eine Messvorrichtung gemäß 1 und ein Messverfahren gemäß 5 können mit Mikrowellen die Bestimmung der elektrischen Permittivität ε_r ermöglichen, ohne dass das dielektrische Medium DM tatsächlich durchstrahlt wird. Die dielektrische Permittivität ε_r wird rein über die Winkellage der Maxima MG1, MG2, MG3, wie beispielhaft in 8 gezeigt, bestimmt.
Nachstehend werden vorteilhafte Ausführungsformen der Messvorrichtung und des Messverfahrens beschrieben.
ERSTE BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM
2 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der ersten Mikrostrip-Sendeantenne TX1A. 2B zeigt nochmals den prinzipiellen Aufbau der in der X, Y Ebene liegenden Mikrostrip-Sendeantenne TX1A und die Anordnung des dielektrischen Mediums DM, welches vermessen werden soll, zwischen der Antenne TX1A und der Groundplane G. In 2A ist die Mikrostrip-Sendeantenne TX1A vorzugsweise mit zwei Reihen (Spalten) ausgeführt, jeweils mit Patches PA und zwischenliegenden Leitungen TL. Diese Ausführungsform der Mikrostrip-Sendeantenne TX1A ist deshalb vorteilhaft, weil damit unerwünschte Oberflächenwellen (die Ungenauigkeiten verursachen können) verringert werden können, indem das Abstrahlmuster verschmälert wird. Die doppelreihige Ausführung in 2A erzeugt eine hohe Verstärkung (Gain) und ermöglicht schmale Maxima. In 2A umfasst die Antenne TX1A zwei nebeneinander angeordnete Antennen.
In 2C ist eine andere Ausführungsform der ersten Mikrostrip-Sendeantenne TX1A gezeigt, ebenfalls mit zwei Reihen, die jeweils Übertragungsleitungen TL und Stubs SMT aufweisen. In 2C umfasst die Antenne TX1A zwei ineinander verschachtelte Mikrostrip-Stub-Antennen.
Auch die in 2 gezeigten Abstrahlantennen TX1A können das in 8 gezeigte Abstrahlmuster erzeugen, so dass die Maximum-Gain-Bestimmungseinrichtung BST das maximale Gain ermitteln kann. Bei der Vermessung des Abstrahlmusters zur Bestimmung des Maximums MG1–MG3 kann beispielsweise die 3dB Bandbreite erkannt werden. Wie bereits erwähnt, können die Abstrahlantennen in 2 auch verwendet werden, um Abstrahlmuster zu erzeugen, die der Mikrowellen-Empfänger RX1A aufnimmt und die dann mit einer numerischen Simulation, bei der sämtliche Teile der elektromagnetischen Bedingungen berücksichtigt werden können, verglichen werden. D.h., der Mikrowellen-Empfänger RX1 mit der Mikrowellen-Empfangsantenne RX1A, die ebenfalls wie in 2 gezeigt ausgeführt sein kann, kann das in 8 gezeigte Abstrahlmuster für jede Permittivität bzw. für jedes unterschiedliche Material aufzeichnen und dann mit vorab simulierten Abstrahlmustern für verschiedene Materialen, während alle andere Bedingungen gleich gehalten werden, vergleichen, d.h. insbesondere die Lage der Maxima vergleichen. Somit kann Rückschluss auf die Permittivität ε_r gezogen werden.
Wie in 2 gezeigt handelt es sich vorteilhafter Weise bei der ersten Mikrostrip-Sendeantenne TX1A um ein doppelte Comb-line Antennenarray, insbesondere ein derartiges, das seriell gespeist werden kann. Wie auch voranstehend erwähnt ist es möglich prinzipiell die maximale Richtung auch in einer Ebene zu bestimmen, in der die Sendeantenne TX1A angeordnet ist, da, wie in 8 gezeigt, eine geringe Strahlungsintensität auch in dieser Ebene (θ = +90° oder θ = –90°) vorhanden ist. Natürlich sind dort die Maxima nicht so ausgeprägt, sodass bevorzugter Weise die Verschiebung θ immer in der X, Z Ebene bestimmt wird und nicht in der X, Y Ebene.
ZWEITE BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM
6 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung DSM mit einer ersten Mikrostrip-Sendeantenne TX1A und einer ersten Mikrostrip-Empfangsantenne RX1A, die auf einer Oberfläche des zu messenden Mediums DM, beispielsweise einem dielektrischen Substrat, angeordnet sind. Wie in 6 schematisch dargestellt, ist das Substrat andererseits mit der anderen Oberfläche auf der Groundplane G angeordnet, wie schematisch auch in 1 gezeigt. 9 zeigt das zugehörige Messverfahren für die Messvorrichtung DSM in 6.
Zunächst wird im Schritt S01 in 9 das zu vermessende dielektrische Medium DM zwischen der Sendeantenne TRX1A und der Groundplane G angeordnet, wie in 6 gezeigt. In Abstrahlrichtung wird auch ein Reflektor RF im Schritt S02 angeordnet, sodass die von der ersten Mikrostrip-Sendeantenne TX1A ausgesendete Mikrowellenstrahlung zu der ersten Mikrostrip-Empfänger Antenne RX1A zurückreflektiert werden kann. Wie bereits in 1, 2 und 3/4 angedeutet, liegen die Antennen TX1A und RX1A in der gleichen Ebene X, Y, während die Veränderung des Abstrahlmusters in der X, Z Richtung (beispielsweise 3, 4 und 8), ausgewertet wird, wie schematisch mit dem Winkel –θ angedeutet. in 6 angedeutet ist.
Im Schritt S1 sendet die Antenne TX1A eine Mikrowellenstrahlung im W-Band aus und im Schritt S2 wird die Mikrowellenstrahlung (das Fernfeld MWFF) davon von der Empfangsantenne RX1A empfangen. Dann misst die Auswerteeinrichtung AUS bzw. die Bestimmungseinrichtung BST die Verstärkung (bzw. die Intensität) im Schritt S3. Danach wird im Schritt S32 über die Dreheinrichtung RO eine Drehung des Substrats mit den Antennen um die Y-Achse vorgenommen und somit der Winkel verändert. Im Schritt S33 wird bestimmt, ob die Verstärkung steigt oder fällt, und wenn sie ansteigt, dann wird der Schritt S32 wiederholt. Die Schritte S32 und S33 werden so lange wiederholt, bis das Maximum bzw. bis der Winkel der maximalen Intensität bestimmt ist. Wenn dies im Schritt S33 erreicht ist (ja im Schritt S33), dann wird im Schritt S34 die Bestimmung der dielektrischen Permittivität ε_r vorgenommen. D.h., die Dreheinrichtung RO verändert den Winkel θ so lange, bis im Ausgangssignal der Empfangsantenne RX1A ein Maximum auftritt bzw. festgestellt werden kann.
7 zeigt die Anordnung in 6 von oben. Ein Mikrowellensender TX1 speist seriell die Sendeantenne TX1A und ein Empfänger RX1 ist vorgesehen, der mit der Empfangsantenne RX1A verbunden ist. Die Antennen TX1A und RX1A sind beispielsweise, wie in 2 gezeigt, als doppelreihige Comb-lines ausgeführt. Somit können die Abstrahlmuster aufgenommen werden, wie in 8 gezeigt, und die Winkel θ1, θ2, θ3 der maximalen Verstärkungen (Gains) MG1, MG2, MG3, wie in 8 beispielhaft dargestellt, können für verschiedene Permittivitäten bestimmt werden. Diese können wiederum mit numerischen Simulationen verglichen werden, sodass daraus, beispielsweise die dielektrische Permittivität θ1, θ2, θ3 errechnet werden kann.
Wie bereits unter Bezugnahme auf 1 und 8 beschrieben, ist es auch möglich, zunächst für ein Referenzmaterial die Null-Lage eines Referenz-Abstrahlmusters zu bestimmen. Dies kann beispielsweise das Abstrahlmuster mit dem Maximum MG3 sein. Dann wird das Material (Substrat) durch das zu messenden Material ersetzt und das Maximum MG1 bestimmt. Aufgrund der Abweichung (Winkelabweichung) der Maxima MG3–MG1 kann dann die dielektrische Permittivität bestimmt werden.
Mit der in 6 gezeigten Vorrichtung lassen sich sehr einfach und sehr genau und in einer nicht zerstörenden Weise komplexe Permittivitäten ε_r. messen. Zum Beispiel kann dies dadurch erfolgen, dass der maximale Gain-Wert mit einem erwarteten Wert verglichen wird und dadurch die Verluste in der Antenne abgeschätzt werden. Damit lässt sich dann der komplexe Teil der Permittivität (der die Ursache für die Verluste ist) einfach bestimmen. Die Ergebnisse sind sehr genau und geeignet für eine numerische Simulation. Es ist ferner möglich Abweichungen bei der industriellen Verarbeitung des Materials DM und eine zweidimensionale Anisotropie zu bestimmen. Außerdem ist es möglich, das Verfahren jedweden Typ von Material bei der Verwendung vor oder hinter einem Abstrahlelemente zu erweitern. Um eine vollständige zweidimensionale Asymmetrie zu erkennen, kann das Abstrahlmuster auch in der anderen horizontalen Richtung X (siehe XR in 6) durch die Dreheinrichtung RO gedreht werden.
In 8 lässt sich in Verbindung mit der 6 auch erkennen, dass mechanische Fehler bei der Montage des Antennensystems in der der Messvorrichtung gemessen und korrigiert werden können. Dies geschieht beispielsweise dadurch, dass die Beziehung “Strahlungswinkel des Maximum-Gains gegenüber dielektrische Permittivität“ für die gleiche Antennenkonfiguration mit entgegengesetzter Abhängigkeit gemessen wird.
Die Messung mit einem Reflektor ist im Radargebiet als „Radar-Messung“ oder „Zweiweg-Messung“ bekannt. Die Antennencharakteristik ist zudem das Ergebnis des TX-Musters multipliziert mit der RX-Muster. Der Kalibrierungskanal wird dann durch eine TX Antenne, die z.B. von links nach rechts gespeist wird, und der RX Antenne von der entgegengesetzten Seite gebildet. Dieses Zweiweg-Antennenmuster gleicht den Fehler in der Sendeantenne (TX) mit dem Fehler in der Empfangsantenne (RX) aus, d.h. das Zweiweg-Antennenmuster wird das Maximum immer in der breiten Seite aufweisen. Dies wird durch das Design gewährleistet und kann verwendet werden, um den Fehler der Dreheinheit zu messen. Zum Messen der Permittivität wird ein weiteres Paar von TX/RX Antennen verwendet, die auf der gleichen Platine (PCB) platziert sind, aber von der gleichen Seite gespeist werden. Da die TX und RX Maximumgain-Richtung die gleiche sein wird, gleichen diese sich dabei nicht aus.
Wie altbekannt ist verändert ein dielektrisches Medium seine Permittivitätscharakteristiken während der industriellen Verarbeitung bzw. Herstellung, wie bei einem Laminierungsprozess, einer chemischen Ätzung, einer Erwärmung und einem Lötprozess, beispielsweise für ein PCB Board. Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung in 1 und 6 liegt darin, dass die Permittivität nach dem gesamten Verarbeitungsprozess gemessen werden kann, d.h. die dielektrische Permittivität des Materials in dem fertiggestellten Produkt gemessen werden kann.
WEITERE AUSFÜHRUNGSFORMEN
10 zeigt eine Ausführungsform mit zwei Sendeantennen TX1A, TX2A und zwei Mikrowellensendern TX1, TX2. Zwei Empfangsantennen RX1A, RX2A und zwei Empfänger RX1, RX2 sind jeweils (seriell) verbunden. Mit einer derartigen Anordnung können Positionierungs- und Ausrichtungfehler kalibriert werden. Dies ist die Aufgabe der Kalibrierungseinrichtung CAL, die in 1 und 6 gezeigt ist
Wie in 10 gezeigt liegen die Kompensationsantennen TX2A, RX2A innerhalb der Permittivitätsbestimmungs-Antennen TX1A, RX1A. Somit können die „Arbeitsantennen“ TX1A, RX1A kalibriert werden bereits während der industriellen Verarbeitung. Danach können die zusätzlichen Antennen von dem Substrat abgeschnitten werden und eine kalibrierte Antenne auf Grundlage der Messung des Substrats wird zur Verfügung gestellt. Bei der industriellen Fertigung von beispielsweise PCB Boards können somit die Messantennen auf jeder Schaltungsplatine oder nur einmal in der Produktionsserie angebracht werden.
11 zeigt die fertiggestellte Messevorrichtung mit den Antennen gemäß 6 und 10, wobei der Mikrowellensender und der Empfänger in der Mitte des Chips angeordnet sind. 12 zeigt die Anordnung in einem Radarraum mit jeweiligen Reflektoren RF, wobei 12a eine Ansicht eines Reflektors zeigt, der in einer Radarkammer gegenüberliegend zu der Messvorrichtung gemäß 6 angeordnet ist, zur Reflektion der von der Mikrostrip-Antenne ausgesendeten Mikrowellenstrahlung und wobei 12b eine Ansicht der Messvorrichtung gemäß 6 mit einer Drehvorrichtung in der Radarkammer zeigt.
Um Flüssigkeiten hinsichtlich der dielektrischen Permittivität vermessen zu können umfasst die Messvorrichtung ferner einen Fluidbehälter BX, wie in 13 gezeigt. In dem Fluidbehälter BX ist das dielektrische Fluid bzw. die dielektrische Flüssigkeit auf eine vorgegebene Höhe eingefüllt und am Boden des Behälters BX ist eine Groundplane G vorgesehen. Oberhalb der Box BX ist ein Reflektor RF angeordnet. Die Sendeantenne TX1A und die Empfangsantenne RX1A sind in einer Ebene direkt auf der Oberfläche des Fluids angeordnet, sodass mit der dielektrischen Flüssigkeit und der Groundplane G ein Abstrahlmuster wie in 8 auch hier erzeugt werden kann. Somit können mit der Messvorrichtung DSM auch dielektrische Flüssigkeiten vermessen werden.
WEITERE VORTEILHAFTE ANWENDUNGEN
Wie bereits erwähnt ist ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung, dass die Permittivität nach Abschluss des Herstellungsprozesses des dielektrischen Mediums gemessen werden kann. Eine sehr interessante und nützliche Anwendung des erfindungsgemäßen Messverfahrens besteht darin die komplexe Permittivität einer dielektrischen Schicht auf einer Schaltungsplatine zu bestimmen. So ist es möglich den ursprünglichen PCB Schaltungsentwurf mit der Elektronik zu verwenden und Abstrahlelemente mit der Antenne mit hoher Verstärkung (TX1A und RX1A in 10) einzusetzen oder hinzuzufügen. Der Hauptvorteil dieses Messverfahrens besteht in der Möglichkeit des nicht-destruktiven Testens. Beispielsweise kann bei der Herstellung von Radarvorrichtungen ein Sensor mit der 10 gezeigten Antennenkonfiguration bei der Fertigung eingebaut werden und mit dem bereits installierten Kalibrierungsmessaufbau die dielektrische Permittivität ε_r überwacht d.h. bestimmt werden und kalibriert werden. Ein anderer Hauptvorteil des Messverfahrens ist die Möglichkeit Inhomogenitäten des Materials, wie eine Anisotropie, Polarisationseffekte etc. insbesondere für geschichtete dielektrische Medien, zu bestimmen, indem der Antennentyp gewählt wird und er in einer anderen Orientierung in der gedruckten Schaltungsplatine PCB angeordnet wird.
Das Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens ist nicht auf irgendwelche bestimmte Materialen und Flüssigkeiten beschränkt und kann bereits während der Fertigung von Radarantennen zum Einsatz kommen.
Bezugszeichen in den Ansprüchen dienen dem besseren Verständnis und engen den Schutzumfang nicht ein.
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 Nicht-Patentliteratur

Standard IPC-TM-650, Nummer 2.5.5.5 [0002]
Standard IPC TM-650 unter der Nummer 2.5.5.5 [0003]
Standard IPC-TM-650, Nummer 2.5.5.5 “Stripline Test for Permittivity an Loss Tangent (Dielectric Constant and Dissipation Factor)“ [0004]

Claims

Messvorrichtung (DMV) zur Messung der dielektrischen Permittivität (ε_r) eines dielektrischen Mediums (DM), umfassend: a) eine erste Mikrostrip-Sendeantenne (TX1A) zum Aussenden einer Mikrowellenstrahlung (MWS), wobei die Mikrostrip-Sendeantenne (A1) in einer ersten Ebene (X, Y) angeordnet ist; b) eine Groundplane (G); c) wobei die Mikrostrip-Sendeantenne (TX1A) und die Groundplane (G) so zueinander angeordnet sind, dass zwischen ihnen in einer zu der ersten Ebene (X, Y) im Wesentlichen senkrechten Richtung (Z) ein Spalt (D) zur Aufnahme des dielektrischen Mediums (DM) gebildet ist; d) einen Mikrowellen-Empfänger (RX1, RX1A), angeordnet zum Empfangen des Fernfelds (MWFF) der ausgesendeten Mikrowellenstrahlung (MWS); e) wobei der Mikrowellen-Empfänger (RX1, RX1A) mit einer Auswerteeinrichtung (AUS) verbunden ist, die eine Maximum-Gain-Bestimmungseinrichtung (BST) zum Bestimmen, auf Grundlage der empfangenen Mikrowellenstrahlung (MWS), der Winkelrichtung (θ1, θ2, θ3) des Maximum-Gains (MG1, MG2, MG3) der empfangenen Mikrowellenstrahlung (MWS), und eine Permittivität-Bestimmungseinrichtung (P) zum Bestimmen der dielektrischen Permittivität (ε_r) auf Grundlage der bestimmten Maximum-Gain-Winkelrichtung (θ1, θ2, θ3) umfasst.
Messvorrichtung (DMV) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximum-Gain-Bestimmungseinrichtung (BST) die Maximum-Gain-Winkelrichtung (θ1, θ2, θ3) in einer zur ersten Ebene (X, Y) senkrechten Ebene (X, Z) bestimmt.
Messvorrichtung (DMV) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximum-Gain-Bestimmungseinrichtung (BST) die Maximum-Gain-Winkelrichtung (θ1, θ2, θ3) in der ersten Ebene (X, Y) bestimmt.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Permittivität-Bestimmungseinrichtung (P) die dielektrische Permittivität auf Grundlage einer Winkeldifferenz zwischen der bestimmten Maximum-Gain-Winkelrichtung und einer Referenzwinkelrichtung eines Maximum-Gains einer von dem Mikrowellen-Empfänger (RX1A) empfangenen Referenzmikrowellenstrahlung bestimmt.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Mikrostrip-Sendeantenne (A1) ein Antennenarray, insbesondere ein Comb-line Antennenarray, ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrowellen-Empfänger (RX1A) in einem Abstand von der Mikrostrip-Sendeantenne (TX1A) in deren Strahlungsrichtung angeordnet ist und die Maximum-Gain-Bestimmungseinrichtung (BST) das von dem Mikrowellenempfänger (RX1A) aufgenommene Abstrahlungsmuster auswertet.
Messvorrichtung Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrowellen-Empfänger (RX1A) eine erste Mikrostrip-Empfangsantenne (RX1A) umfasst.
Messvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Mikrostrip-Sendeantenne (TX1A) und die erste Mikrostrip-Empfangsantenne (RX1A) nebeneinander in der ersten Ebene (X, Y) angeordnet sind.
Messvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung ferner einen in Strahlungsrichtung der Mikrostrip-Sendeantenne (TX1A) angeordneten Reflektor (RF) umfasst.
Messvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Mikrostrip-Sendeantenne (TX1A) und die erste Mikrostrip-Empfangsantenne (RX1A) seriell gespeiste Mikrostripantennen sind.
Messvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Medium (DM) ein dielektrisches Substrat ist, die erste Mikrostrip-Sendeantenne (TX1A) und die erste Mikrostrip-Empfangsantenne (RX1A) auf einer ersten Oberfläche des Substrats angeordnet sind und die Groundplane (G) auf einer gegenüberliegenden Oberfläche des Substrats angeordnet ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Medium (DM) ein dielektrisches Fluid ist, wobei die Messvorrichtung ferner einen Fluidbehälter (BX), in dem das dielektrisches Fluid auf eine vorgegebene Höhe eingefüllt ist und an dessen Boden die Groundplane vorgesehen ist, umfasst, wobei die Mikrostrip-Sendeantenne (TX1A) und die Mikrostrip-Empfangsantenne (RX1A) in einer Ebene auf der Oberfläche des Fluids angeordnet sind.
Messvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximum-Gain-Bestimmungseinrichtung (BST) eine Scaneinrichtung (SC) umfasst, die den Mikrowellen-Empfänger (RX1A) durch das Strahlungsfeld der Mikrostrip-Sendeantenne (TX1A) über eine Winkeldrehung bewegt.
Messvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximum-Gain-Bestimmungseinrichtung (BST) eine Dreheinrichtung (RO) umfasst, die das Substrat mit der ersten Mikrostrip-Sendeantenne (TX1A) und der Mikrostrip-Empfangsantenne (RX1A) in einem vorgegebenen Winkelbereich dreht.
Messvorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Kalibrierungseinrichtung (CAL), die mit einer zweiten Mikrostrip-Sendeantenne (TX2) und einer zweiten Mikrostrip-Empfangsantenne (RX2) verbunden ist, zur Kalibrierung von Positionsfehlern der Antennen (TX1A, TX2).
Verfahren zum Messen der dielektrischen Permittivität (ε_r) eines dielektrischen Mediums (DM), umfassend die folgenden Schritte: a) Aussenden (S1), durch eine erste Mikrostrip-Sendeantenne (TX1A), die in einer ersten Ebene (X, Y) angeordnet ist, einer Mikrowellenstrahlung (MWS), b) wobei die Mikrostrip-Sendeantenne (TX1A) und eine Groundplane (G) so zueinander angeordnet sind, dass zwischen ihnen in einer zu der ersten Ebene (X, Y) im Wesentlichen senkrechten Richtung (Z) ein Spalt (D) zur Aufnahme (S0) des dielektrischen Mediums (DM) gebildet ist; c) Empfangen (S2), mit einem Mikrowellen-Empfänger (RX1, RX1A), des Fernfelds (MWFF) der ausgesendeten Mikrowellenstrahlung (MWS); und d) Bestimmen (S3), mit einer Maximum-Gain-Bestimmungseinrichtung (BST), auf Grundlage der empfangenen Mikrowellenstrahlung (MWFF), der Winkelrichtung (θ1, θ2, θ3) des Maximum-Gains (MG1, MG2, MG3) der empfangenen Mikrowellenstrahlung (MWFF), und e) Bestimmen (S4), mit einer Permittivität-Bestimmungseinrichtung (P), der dielektrischen Permittivität (ε_r) auf Grundlage der bestimmten Winkelrichtung (θ1, θ2, θ3).
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der Winkelrichtung des Maximum-Gains der Mikrowellen-Empfänger (RX1A) von einer Scaneinrichtung (SC) in dem Strahlungsfeld um einen vorgegebenen Winkelbereich gedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Mikrowellen-Empfänger (RX1A) eine erste Mikrostrip-Empfangsantenne (RX1A) umfasst, das dielektrische Medium (DM) ein Substrat ist, auf dessen einer Oberfläche die Antennen angeordnet sind und auf dessen anderer Oberfläche die Groundplane angeordnet ist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) Anordnen (S31) eines Reflektors (RF) im Strahlungsfeld der ersten Mikrostrip-Sendeantenne (TX1A), wobei die von der ersten Mikrostrip-Sendeantenne (TX1A) ausgesendete Mikrowellenstrahlung zu der ersten Mikrostrip-Empfangsantenne (RX1A) zurückreflektiert wird; b) Drehen (S32) des Substrats um einen vorgegebenen Winkelbereich; und c) Bestimmen (S33) der Winkelrichtung (θ1, θ2, θ3) des Maximum-Gains, wenn im Ausgangssignal der ersten Mikrostrip-Empfangsantenne (RX1A) ein Maximum auftritt.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei eine zweite Mikrostrip-Sendeantenne (TX2) und eine zweite Mikrostrip-Empfangsantenne (RX2) vorgesehen sind, und wobei mit Ausgangssignalen der zweiten Mikrostrip-Empfangsantenne (RX2) eine Kalibrierung von Positionsfehlern der Anordnung der ersten Mikrostrip-Sendeantenne und der ersten Mikrostrip-Empfangsantenne.