DE102019117609B3

DE102019117609B3 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung von Materialeigenschaften einer Probe mittels eines Eintormessgeräts

Info

Publication number: DE102019117609B3
Application number: DE102019117609.3A
Authority: DE
Inventors: Christoph Baer
Original assignee: Ruhr Universitaet Bochum
Current assignee: 2Pi Labs GmbH
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2020-09-10
Anticipated expiration: 2039-06-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Bestimmung von Materialeigenschaften einer Probe (12), umfassend ein Eintormessgerät (6), eine mit einem 1-Port (13) des Eintormessgeräts (6) signaltechnisch gekoppelte Signalleitungsstruktur und eine am dem Eintormessgerät (6) gegenüberliegenden Ende der Signalleitungsstruktur angeordnete und mit der Probe (12) messtechnisch zu koppelnde Sonde (10, 11), wobei die Signalleitungsstruktur eine mit dem 1-Port (13) gekoppelte Signalleitung (2), eine Signalteilereinrichtung (3) und als Sonde (10, 11) eine erste Sonde (10) und einen zweite Sonde (11) aufweist, wobei die Signalteilereinrichtung (3) die Signalleitung (2) in eine mit der ersten Sonde (10) gekoppelte erste Signalleitung (4) und eine mit der zweiten Sonde (11) gekoppelten zweiten Signalleitung (5) aufteilt, wobei die erste Signalleitung (4) und die zweite Signalleitung (5) unterschiedliche Laufzeiten für durchgeleitete Signale (8, 9, 14, 15, 16, 17) besitzen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung von Materialeigenschaften einer Probe, umfassend ein Eintormessgerät, eine mit einem 1-Port des Eintormessgeräts signaltechnisch gekoppelte Signalleitungsstuktur und eine am dem Eintormessgerät gegenüberliegenden Ende der Signalleitungsstuktur angeordnete und mit der Probe messtechnisch zu koppelnde Sonde. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung von Materialeigenschaften einer Probe, insbesondere mittels einer Vorrichtung nach der Erfindung.
Eine messtechnische Charakterisierung verschiedener Materialien zur Erlangung von Informationen über bestimmte materialcharakteristische Eigenschaften ist in vielen Bereichen der Technik erforderlich und bekannt. So stellt sie zum Beispiel in der Hochfrequenztechnik einen essentiell wichtigen Aspekt dar. Das Design vieler neuer Bauteile und Komponenten hängt in diesem Gebiet häufig direkt von den jeweiligen materialcharakteristischen Eigenschaften, wie zum Beispiel der Permittivität, der verwendeten Materialien ab. Vor jedem neuen Design hochfrequenztechnischer Vorrichtungen/Anwendungen müssen daher die zur Verfügung stehenden Materialien charakterisiert und vermessen werden. Bei vielen Anwendungen muss außerdem eine Aussage über die Homogenität des jeweiligen Materials getroffen werden. Bei Homogenitätsuntersuchungen ist jedoch von Nachteil, dass keine Aussage über die Homogenität getroffen werden kann, wenn das Messverfahren eine zu große Probengröße erfordert.
Außerdem ist eine Kenntnis über ein Material bei verschiedenen messtechnischen Anwendungen besonders wichtig. Zum Beispiel beruhen einige Füllstandsmessverfahren in der Prozessindustrie auf einer genauen Kenntnis des gelagerten Mediums/Materials. Es ist derzeit Stand der Technik, zur Erlangung derartiger Materialkenntnis Proben des jeweiligen Materials zu nehmen und zu vermessen, um den eigentlichen Messvorgang zu optimieren. Bei der Füllstandsmessung einiger Chemikalien ist es dabei von Nachteil, dass eine Probenentnahme aufgrund des jeweiligen Materials/der jeweiligen Chemikalie durchaus kostspielig und ggf. sogar mit Risiken wie Gesundheitsrisiken behaftet sein kann, so dass entnommene Volumina möglichst klein gehalten werden sollten oder Probenentnahmen am besten ganz unterbleiben sollten. Bei bekannten Vorrichtungen und Verfahren sind die für eine Materialuntersuchung notwendigen Materialienvolumina vergleichsweise groß. Dies stellt insbesondere beim Charakterisieren von kritischen oder sehr teuren Substanzen, wie zum Beispiel bei der Messung von Sprengstoffen im Sicherheitsbereich oder von Pharmazeutika, ein großes Problem dar.
Eine weitere Anwendung, bei der in der Zukunft eine Materialcharakterisierung immer interessanter sein wird, ist die Sicherheitskontrolle durch sogenannte Körperscanner, beispielsweise an sicherheitsrelevanten Bereichen wie öffentlichen Gebäuden und Sicherheitsbereichen. Bei dieser Anwendung wäre es von großem Vorteil, wenn eine einfache, schnelle und sichere Detektion von Materialien wie Sprengstoff und anderen gefährlichen Substanzen möglich wäre. Um aber solche Substanzen detektieren zu können, müssen zuvor die Materialeigenschaften dieser Substanzen bekannt sein. Zur Durchführung von Testmessungen mit möglichst kleinem Risiko ist es auch dabei von großem Interesse, Messverfahren zu etablieren, die nur kleinste Probenvolumina benötigen.
In bestimmten Bereichen besteht ein Bedarf nach einem tragbaren Messgerät, insbesondere für eine Verwendung im Bereich der vorstehend beschriebenen sicherheitstechnischen Anwendungen und Handhabung gefährlicher Materialien. Grund dafür ist, dass die in Rede stehenden kritischen Substanzen häufig nicht von ihrem Lagerplatz/Aufenthaltsplatz entfernt werden dürfen oder sollten. Ein wesentlicher Nachteil bekannter messtechnischer Vorrichtungen und Verfahren ist, dass diese für eine Verwendung an unterschiedlichen Orten sowie für einen Transport in der Regel nicht geeignet sind. Sie sind nämlich entweder in der Lage, die Materialparameter über den entsprechenden Frequenzbereich aufzulösen, sind aber nicht portabel, oder sie sind portabel, besitzen jedoch nicht die gewünschte Frequenzbereichsauflösung. Dies ist unter anderem dadurch bedingt, dass frequenzauflösende Messverfahren und Messvorrichtungen noch sehr große Aufbauten wie z.B. Netzwerkanalysatoren benötigen, so dass die Untersuchung der Materialien an einem festen Ort stattfinden muss. Kritische Substanzen, die aufgrund ihrer Sicherheitsbestimmungen an einem festen Ort gelagert werden müssen, können somit nicht untersucht werden. Messverfahren und -geräte hingegen, die z.B. Radar oder Reflektometer verwenden und somit portabel sind, können meist nur über den erforderlichen Frequenzbereich gemittelte Werte angeben.
Bekannte Vorrichtungen oder Messsysteme zur Materialcharakterisierung beruhen meist auf einer Verwendung von Koaxialsonden. Deren derzeit verfügbarer Messbereich ist auf Frequenzen in einem Bereich bis etwa 67 GHz beschränkt.
Für eine messtechnische Bestimmung der Permittivität von dielektrischen Materialien werden oftmals die Ausbreitungs- und Reflexionseigenschaften des Materials ausgewertet. Als primäre messtechnische Größe können dabei die Streuparameter aufgenommen und im weiteren Verlauf einem geeigneten Algorithmus zu Permittivitätsberechnung zugeführt werden. Von den vier Streuparametern (S11, S12, S21, S22), die ein Zweitor vollständig beschreiben, sind aufgrund der Reziprozitätsannahme lediglich die beiden Reflexionsparameter S11 (Reflexion an Tor 1) und S22 (Reflexion an Tor 2) sowie einer der Transmissionsparameter S12 oder S21 für die Bestimmung der Permittivität erforderlich. Um die genannten Streuparameter aufzunehmen, muss das Messobjekt/die Materialprobe von beiden (gegenüberliegenden) Seiten vermessen werden. Dies kann nach einem bekannten System mit kalibrierten Netzwerkanalysatoren geschehen. Eine sehr viel einfachere und kostengünstigere bekannte Messung ist die sogenannte Eintormessung, die bspw. mit einem Reflektometer durchgeführt werden kann. Die Eintormessung bedingt jedoch zwei Einzelmessungen bei denen das Messobjekt/die Materialprobe nach der ersten Messung verdreht werden muss. Die resultierenden Messergebnisse sind jedoch meist ungenau, da die Messanordnung durch das Verdrehen der Probe verändert wird.
Im Bereich der Forschung gibt es verschiedene Ansätze mit unterschiedlichen Resonatoren. Diese müssen entweder auf das zu untersuchende Material aufgebracht werden (zum Beispiel bei der Charakterisierung von Platinensubstraten) oder das Probenmaterial muss auf den Resonator aufgebracht werden, wozu in der Regel eine größere Materialprobe benötigt wird, was mit den vorstehend bereits beschriebenen Nachteilen verbunden ist. Außerdem erfordern nahezu alle resonatorbasierten Verfahren komplex messende Netzwerkanalysatoren, die im beschriebenen Frequenzbereich nur als nichtportable Labormessgeräte ausgeführt sind.
Eine weitere Möglichkeit zur Charakterisierung von Material besteht in dem sogenannten „freistahlenden Ansatz“. Dabei werden entweder Reflexions- oder Transmissionsmessungen durch eine Materialprobe durchgeführt, wobei im Falle von Reflexionsmessungen Radargeräte oder im Falle von Transmissionsmessungen Netzwerkanalysatoren verwendet werden. Neben den Messgeräten sind weitere Komponenten wie z.B. Antennen etc. notwendig. Das US-Patent 7.492.303 B 1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion von Risikomaterial wie zum Beispiel Sprengstoff mittels Radar.
Das US-Patent US 8,946,641 B2 offenbart ein Verfahren, bei dem mittels aktiver Millimeterwellenstrahlung die Zusammensetzung von verborgenen metallischen, nichtmetallischen opaken oder semi-transparenten Materialien beruhend auf deren optischen Eigenschaften bestimmt werden kann.
Das US-Patent US 5,233,306 A offenbart ein Verfahren zur Bestimmung der Permittivität einer Probe, wobei eine Koaxialsonde, die ein Wechselstromsignal mit Mikrowellenfrequenz erzeugt, nahe der Probe platziert wird und der Reflektionskoeffizient der Probe gemessen wird.
Das US-Patent US 4,630,228 A offenbart ein Gerät zum Codieren und Speichern von Rasterabtastbildern, mit einer Feststelleinrichtung zum Feststellen von Diskontinuitäten, so wie sie in einer Rasterabtastzeile auftreten, und zum Ableiten zugehöriger Positionssignale.
Bei den meisten bekannten Verfahren und Vorrichtungen sind die für eine Charakterisierung notwendigen Materialienvolumina vergleichsweise groß. Dies stellt beim Charakterisieren von kritischen oder sehr teuren Substanzen, z.B. bei der Messung von Sprengstoffen im Sicherheitsbereich oder Pharmazeutika, ein großes Problem dar. Eine weitere nachteilige Einschränkung bei der Materialmessung von sicherheitskritischen Substanzen ist eine Kontaminierung des mit dem Material in Kontakt gelangenden Sensorkopfes.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit dem bzw. der jeweils eine präzise Materialcharakterisierung bei geringer oder kleiner Probengröße in einer einfachen, sicheren, schnellen, kostengünstigen und anwenderfreundlichen Weise möglich ist. Außerdem sollen ein ortsungebundener Einsatz und eine Portabilität ermöglicht und erleichtert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und durch ein System mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung schafft damit insbesondere eine Vorrichtung zur Bestimmung von Materialeigenschaften einer Probe, die auch als Materialprobe bezeichnet wird, umfassend ein Eintormessgerät, eine mit einem 1-Port des Eintormessgeräts signaltechnisch gekoppelte Signalleitungsstuktur und eine am dem Eintormessgerät gegenüberliegenden Ende der Signalleitungsstuktur angeordnete und mit der Probe messtechnisch zu koppelnde Sonde, wobei die Signalleitungsstuktur eine Signalteilereinrichtung und als Sonde eine erste Sonde und einen zweite Sonde aufweist, und wobei die Signalteilereinrichtung eine mit dem 1-Port gekoppelte Signalleitung, auch als Hauptsignalleitung der Signalleitungsstuktur bezeichnet, in eine mit der ersten Sonde gekoppelte erste Signalleitung, auch als erste Verzögerungsleitung der Signalleitungsstuktur bezeichnet, und eine mit der zweiten Sonde gekoppelten zweiten Signalleitung, auch als zweite Verzögerungsleitung bezeichnet, aufteilt.
Die Erfindung schafft außerdem ein Verfahren zur Bestimmung von Materialeigenschaften einer Probe, die auch als Materialprobe bezeichnet wird, insbesondere mittels einer Vorrichtung nach der Erfindung, insbesondere nach einem der angehängten Ansprüche, wobei ein Speisesignal von einem 1-Port eines Eintormessgeräts in eine Signalleitungsstuktur mit einer Signalleitung/Hauptsignalleitung eingespeist wird, die mittels eines Leitungsteilers in eine erste Signalleitung /erste Verzögerungsleitung und eine zweite Signalleitung/zweite Verzögerungsleitung aufgeteilt ist, das Speisesignal in ein durch die erste Signalleitung geleitetes erstes Teilspeisesignal und ein durch die zweite Signalleitung geleitetes zweites Teilspeisesignal aufgeteilt wird, wobei die erste Signalleitung und die zweite Signalleitung eine unterschiedliche Laufzeit von Signalen bewirken, das erste Teilspeisesignal und das zweite Teilspeisesignal mittels der ersten bzw. der zweiten Signalleitung infolge der unterschiedlichen Laufzeit zeitversetzt zu einer ersten Sonde bzw. einer zweiten Sonde geleitet werden, und Messsignale des durch die Probe gestreuten ersten Teilspeisesignals und des durch die Probe gestreuten zweiten Teilspeisesignals durch die erste Signalleitung bzw. die zweite Signalleitung und den Leitungsteiler zurück zum 1-Port des Eintormessgeräts geleitet werden und messtechnisch analysiert werden.
Vorteilhaft für die vorliegende Erfindung, die quasi ein 2-Port-1-Port Messverfahren bzw. eine ein 2-Port-1-Port-Vorrichtung zur Verfügung stellt, ist eine Verwendung eines breitbandigen Reflektometers, um eine geeignete zeitliche Auflösung zu gewährleisten. Das Reflektometer kann das Messsignal in die Leitungsstruktur einspeisen, mit der die eingespeiste Welle/das eingespeiste Speisesignals und die Messsignale möglichst verlust- und dispersionsarm übertragen werden. Je nach Ausgestaltung der Signalleitungsstuktur wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle im Vergleich zur Freiraumausbreitung reduziert, was Vorteile im späteren Systemdesign haben kann.
Bei dem Eintormessgerät kann es sich Rahmen der Erfindung insbesondere um ein Reflektometer oder ein Radargerät handeln. Nach einer Ausführungsform der Erfindung sind die erste Signalleitung und die zweite Signalleitung von unterschiedlicher Länge, so dass eine unterschiedliche Signallaufzeit bewirkt wird. Die erste und die zweite Sonde können insbesondere zu einem einheitlichen Messkopf kombiniert sein.
Die Signalteilereinrichtung kann in Form eines Leitungsteilers, eines Leitungskombinierers oder eine Kombination davon, also als kombinierter Leitungsteiler/-kombinierer, ausgebildet sein. Sie dient damit einer Aufteilung der mit dem 1-Port gekoppelten Signalleitung in die erste Signalleitung und eine zweite Signalleitung und/oder der Kombination der ersten Signalleitung und der zweiten Signalleitung zur mit dem 1-Port gekoppelten Signalleitung. In entsprechender Weise dient die Signalteilereinrichtung einer Aufteilung des durch die mit dem 1-Port gekoppelten Signalleitung geleiteten Speisesignals in das erste Speisesignal, das durch die erste Signalleitung zur ersten Sonde geleitet wird, und in das zweite Speisesignal, das durch die zweite Signalleitung zur zweiten Sonde geleitet wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Signalteilereinrichtung der Kombination des durch die erste Signalleitung von der Sonde zurückgeleiteten ersten Messsignals und des durch die zweite Signalleitung von der zweiten Sonde zurückgeleiteten zweite Messsignals dienen.
Vorzugsweise ist bzw. sind die Signalleitung und/oder die erste Signalleitung und/oder die zweite Signalleitung jeweils ein dielektrischer Wellenleiter. Außerdem können die erste Sonde und die zweite Sonde und/oder die Signalleitung, insbesondere die erste Signalleitung und/oder die zweite Signalleitung, aus einem Polymer gefertigt sein, insbesondere aus HDPE, Rexolite oder PTFE (Teflon). Mittels dieser Realisierung können sich der Messkopf/die erste Sonde/die zweite Sonde/die Signalleitungsstuktur kostengünstig herstellen lassen und sind damit für einen Austausch gut geeignet.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die erste Sonde und die zweite Sonde nutzerseitig austauschbar mit der ersten Signalleitung bzw. mit der zweiten Signalleitung gekoppelt bzw. koppelbar. Aufgrund des aus günstigen Polymeren gefertigten Sondenkopfs kann dieser nach einer Messung ausgetauscht und vernichtet werden, so dass eine Kontaminierung keine Rolle spielt. Dies begünstigt eine Verwendung der Erfindung im Rahmen einer Analyse von sicherheitskritischen und/oder kontaminativen Materialen.
Im Hinblick auf das erfindungsgemäße Verfahren können nach einer Ausführungsform die von der Probe stammenden Messsignale, die auch als Reflexions- oder Transmissionssignale bezeichnet werden können, da sie infolge von Reflexion bzw. Streuung des ersten und zweiten Speisesignals an der Materialprobe entstehen, ein erstes Reflexionssignal, ein zweites Reflexionssignal und ein Transmissionssignal umfassen.
Nach einer Ausführungsform kann die Aufbereitung der von der Probe stammenden Messsignale, also insbesondere des ersten Reflexionssignals, des zweiten Reflexionssignals und des Transmissionssignals, mittels Timegating erfolgen, wodurch die Messsignale zeitlich voneinander separiert werden. Außerdem können aus den zeitlich separierten Messsignalen mittels Fouriertransformation frequenzabhängige Streuparameter ermittelt werden, wobei insbesondere die Streuparameter kalibriert werden, insbesondere mittels TLR kalibriert werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden oder sind die erste Sonde und die zweite Sonde an einander gegenüberliegenden Seiten der Probe angeordnet. Es ist ein Vorzug der Erfindung, dass durch sie eine besonders präzise, schnelle und einfache Materialcharakterisierung möglich ist, da alle von der Materialprobe stammenden Streuparameter (beidseitige Reflektion und Transmission) erfasst und prozesstechnisch verarbeitet werden. Die vorliegende Erfindung nutzt vorzugsweise ein breitbandiges Reflektometer als Eintormessgerät und/oder spaltet die Ausbreitung der reflektierten und transmittierten Pulse derart auf, dass sie sich im Zeitbereich getrennt aufnehmen lassen. Das Speisesignal besitzt vorzugsweise eine Frequenz mit einer Bandbreite zwischen 70 GHz und 90 GHz, insbesondere von 80 GHz besitzt.
Eine Transformation der zeitlich aufgespalteten Pulse in den Frequenzbereich erlaubt eine präzise Auswertung für jeden einzelnen Frequenzpunkt des gemessenen Spektrums. Die zeitliche Aufteilung wird mittels des speziellen Leitungskonstrukts, vorzugsweise aus sogenannten dielektrischen Wellenleitern, erzielt, indem das Speisesignal aufgeteilt, beidseitig auf das Messobjekt/die Materialprobe gegeben und verschieden zeitverzögert wieder kombiniert wird. Man kann daher sagen, dass die Erfindung eine 2-Port-Messung einer Materialprobe mit Hilfe eines 1-Port Messgeräts erlaubt und eine Aufnahme sämtlicher Streuparameter und derart wiederum die Charakterisierung von kleinsten Materialproben ermöglicht, die geringer als ein Zehntel der Wellenlänge sein können. Die Erfindung schafft damit einen großen Vorteil, dass auch geringste/kleinste Materialproben, beispielsweise von kritischen oder sicherheitsbedenklichen Materialien wie Sprengstoffen, Pharmazeutika, Chemikalien etc., besonders einfach, schnell und sicher vermessen werden können. Außerdem kann die erfindungsgemäße Vorrichtung relativ klein und mit geringem Gewicht ausgebildet sein. Sie kann daher portabel sein und leicht und schnell an nahezu jedem Einsatzort kalibriert und verwendet werden, so dass präzise Messungen von kleinsten Probenmengen ortsunabhängig möglich sind. Man kann sagen, dass die Erfindung ein 2Port-1Port Messsystem zur Materialcharakterisierung kleinster Probenvolumina im Millimeterwellen-Bereich sowie ein entsprechendes Verfahren ermöglicht.
Für die präzise messtechnische Bestimmung der Permittivität von dielektrischen Materialien können im Rahmen der Erfindung die Ausbreitungs- und Reflexionseigenschaften des Materials ausgewertet werden. Als primäre messtechnische Größe können dabei die Streuparameter aufgenommen und im weiteren Verlauf einem geeigneten Algorithmus zu Permittivitätsberechnung zugeführt. Von den vier Streuparametern (S11, S12, S21, S22), die ein Zweitor vollständig beschreiben, sind aufgrund der Reziprozitätsannahme lediglich die beiden Reflexionsparameter S11 (Reflexion an Tor 1 bzw. der ersten Sonde) und S22 (Reflexion an Tor 2 bzw. der zweiten Sonde) sowie einer der Transmissionsparameter für die Bestimmung der Permittivität erforderlich. Um die genannten Streuparameter aufzunehmen, kann das Messobjekt/die Materialprobe nach der Erfindung in besonders einfacher Weise und in einem Messdurchgang von beiden (gegenüberliegenden) Seiten vermessen werden, ohne dass ein Umspannen der Probe (wie in manchen Verfahren/Vorrichtungen nach dem Stand der Technik) erforderlich ist.
Zusammenfassend kann man sagen, dass die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung betrifft, mit dem bzw. der eine Materialcharakterisierung im MillimeterWellen- und THz-Bereich durchgeführt werden kann. Aufgrund der zur Erfindung dazu gehörenden 2-port-1-port Reduktion, welche eine Zweitormessung mit Hilfe eines Eintormessgeräts (z.B. eines Radargeräts oder Reflektometers) ermöglicht, können sämtliche Streuparameter des Probenmaterials über einem weiten Frequenzbereich aufgenommen werden und im Anschluss einem auswertenden Algorithmus (z.B. Baker-Javis) zugeführt werden. Die resultierende Messanordnung liefert somit sämtliche Daten, die für die hochpräzise Algorithmen notwendig sind, kann dabei aber portabel ausgeführt werden, so dass die Messung der Materialproben an jedem Ort durchgeführt werden kann.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder abweichen. Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung;
2 in einem Ausschnitt eine Leitungsstruktur der Vorrichtung der 1 zu einem ersten Zeitpunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 in einem Ausschnitt eine Leitungsstruktur der Vorrichtung der 1 zu einem zweiten Zeitpunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens;
4 in einem Ausschnitt eine Leitungsstruktur der Vorrichtung der 1 zu einem dritten Zeitpunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens;
5 in einem Ausschnitt eine Leitungsstruktur der Vorrichtung der 1 zu einem vierten Zeitpunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens;
6 in einem Ausschnitt eine Leitungsstruktur der Vorrichtung der 1 zu einem fünften Zeitpunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens;
7 in einem Ausschnitt eine Leitungsstruktur der Vorrichtung der 1 zu einem sechsten Zeitpunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens;
8 in einem Ausschnitt eine Leitungsstruktur der Vorrichtung der 1 zu einem siebten Zeitpunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens;
9 in einem Ausschnitt eine Leitungsstruktur der Vorrichtung der 1 zu einem achten Zeitpunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
10 die erfassten Messsignale in einem Zeit-Diagramm.

In den Figuren werden gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in einer schematischen Darstellung. Die Vorrichtung umfasst eine Signalleitungsstruktur mit einer Signalleitung 2, die auch als Hauptsignalleitung 2 bezeichnet werden kann, einem Signalteiler/-kombinierer 3, einer ersten Signalleitung 4, die auch als erste Verzögerungsleitung 4 bezeichnet werden kann, und eine zweite Signalleitung 5, die auch als zweite Verzögerungsleitung 5 bezeichnet werden kann. Die erste Signalleitung 4 und die zweite Signalleitung 5 besitzen eine unterschiedliche Länge. Die Signalleitung 2 ist einerseits mit einem Eintormessgerät 6 gekoppelt, hier in Form eines Reflektometers 6 als 80 GHZ FMCW-Radargerät, das ein Speisesignal 7 erzeugt und in die Signalleitung 2 einleitet. Das Speisesignal 7 wird mittels des Signalteilers/-kombinierers 3 in zwei Teilspeisesignale 8, 9 aufgeteilt. Das erste Teilspeisesignal 8 wird durch die erste Signalleitung 4 zu einer an diesen endseitig angeordneten ersten Sonde 10 geleitet, während das zweite Teilspeisesignal 9 wird durch die zweite Signalleitung 5 zu einer an diesen endseitig angeordneten zweiten Sonde 11 geleitet wird. Zwischen den beiden Sonden 10, 11 ist eine zu untersuchende Materialprobe 12 angeordnet. Die Sonden 10, 11 sind mittels einer Verstelleinrichtung 18 in Form einer Mikrometerschraube 18 zueinander definiert relativpositionierbar.
Die Länge der beiden Signalleitungen 4, 5 ist derart ausgebildet, dass ein Laufzeitunterschied der beiden Teilspeisesignale 8, 9 mindestens der zeitlichen Auflösung des mittels des Reflektometers 6 in die Signalleitung 2 eingespeisten Speisesignals 7 entspricht. Eine größere Laufzeitdifferenz kann an dieser Stelle von Vorteil sein. Je nach Leitungstyp können am Ende der Verzögerungsleitungen 4, 5 Sonden 10, 11 in Form von Koppelelementen angebracht werden, die eine verbesserte Einspeisung der elektromagnetischen Welle/der Speisesignale in das Material der Probe 12 ermöglichen. Die geometrische Form der Leitungsstruktur, insbesondere der Signalleitung 2 und der ersten und der zweiten Signalleitung 4 bzw. 5 ist derart gestaltet sein, dass die Probe 12 (das Messobjekt) zwischen den Leitungsenden bzw. den Koppelelementen bzw. den Sonden 10, 11 bündig eingefügt werden kann. Prinzipiell sind alle bekannten Leitungstypen für den Aufbau verwendbar. Unter Berücksichtigung der Anforderungen zu verlust- und dispersionarmen Wellenausbreitung weisen im Bereich der mmWellen, dielektrische Wellenleiter (z.B. aus HDPE, Rexolite oder Teflon gefertigt) besondere Vorteile auf.
Da für viele Auswertealgorithmen die Kenntnis über die Materialdicke unverzichtbar ist, sind die Verzögerungsleitungen 4, 5 elastisch ausgeführt. Das Ankoppeln der jeweiligen Leitung 4, 5 an die Probe 12 kann dynamisch mittels in der Figur nicht gezeigte, mit den Leitungen mechanisch gekoppelte Stellelemente, zum Beispiel in Form von Mikrometerschrauben, erfolgen. Die Materialdicke der Probe 12 kann dann direkt über die Mikrometerschraube abgelesen werden. Die dielektrische Wellenleiterstruktur kann darüber hinaus sehr günstig, bspw. als Frästeil, im Spritzgussverfahren oder im 3D-Druck Verfahren, hergestellt sein.
Die infolge der unterschiedlichen Lauflänge zeitversetzt auf die Probe 12 treffenden Teilspeisesignale 8, 9 werden durch Reflexion und Transmission in sogenannten Streusignale bzw. in ein Messsignal S11 (Reflexionssignal S11), ein Messsignal S22 (Reflexionssignal S22) und zwei Transmissionssignale S12 und S21 gewandelt. Für die Aufnahme der benötigten Streuparameter (zweimal Reflexion und einmal Transmission) genügt eine einzelne Messung mit dem Reflektometer 6. Die Trennung von Reflexions- und Transmissionssignalen wird im Folgenden anhand von simulierten Feldbildern (Ausschnitten der Leitungsstruktur) erläutert. Die 2 bis 9 stellen Screenshots der Felder in zeitlicher kausaler Abfolge dar.
2 verdeutlicht eine Einspeisung des Speisesignals 7, das mit Hilfe des Reflektometers 6 an dessen Messport 13 in die Signalleitung 2 eingespeist wird. Im dargestellten Fall handelt es sich um einen Puls, prinzipiell ist aber auch die Verwendung eines kontinuierlich messenden Reflektometers (z.B. eines FMCW Radars) möglich, sofern das Messgerät 6 eine zeitliche Auflösung der Signale ermöglicht.
3 verdeutlicht eine Aufteilung des Speisesignals 7 in die zwei Teilspeisesignale 8, 9 und deren Weiterleitung in die beiden Verzögerungsleitungen 4, 5 von unterschiedlicher Länge. Die Aufteilung des Signals 7 in die Teilsignale 8, 9 kann zu gleichen oder ungleichen Teilen erfolgen.
4 verdeutlicht ein Auftreffen des ersten Pulses des ersten Teilspeisesignals 8. Aufgrund der unterschiedlichen Weglängen der Verzögerungsleitungen 4, 5 gelangen die jeweiligen Pulse der Teilspeisesignale 8, 9 zu unterschiedlichen Zeitpunkten zum Messobjekt 12. Die Anordnung der Leitungen 4,5 bedingt gleichzeitig, dass das Messobjekt 12 von beiden Seiten mit den Teilspeisesignalen 8, 9 beaufschlagt wird. 4 zeigt den Zeitpunkt des Auftreffens des ersten Pulses 8, während der zweite Puls 9 noch weiter vom Messobjekt 12 entfernt ist.
5 verdeutlicht eine erste Reflektion und Transmission des Pulses des ersten Teilspeisesignals 8. Während der Puls 8 auf das Messobjekt 12 auftrifft, teilt er sich in einen ersten Reflexionspuls 14 und einen ersten Transmissionspuls 15 auf. Diese beiden Pulse 14, 15 enthalten ab dem gezeigten Moment die Informationen für S11 und S21.
6 verdeutlicht ein Auftreffen und Aufspaltung des zweiten Pulses des zweiten Teilspeisesignals 9 am Messobjekt 12. Während der Puls 9 auf das Messobjekt 12 auftrifft, teilt er sich in einen zweiten Reflexionspuls 16 und einen zweiten Transmissionspuls 17 auf. Diese beiden Pulse 16, 17 enthalten ab dem gezeigten Moment die Informationen für die Streuparameter S22 und S12. Während der zweite Puls 9 mit dem Messobjekt 12 interagiert, befinden sich die Komponenten 14, 15 des ersten Pulses 8 bereits auf dem Weg zurück zum Messport 13.
7 verdeutlicht ein Eintreffen des ersten Reflexionspulses 14 am Messport 13, während sich alle anderen Pulse 15, 16, 17 noch auf der Leitungsstruktur 4, 5 befinden.
Der Reflexionspuls 14 trifft als erstes am Messport 13 ein, da er die geringste Wegstrecke (zweimal Verzögerungsleitung 4) zurücklegt.
8 verdeutlicht ein Eintreffen der Transmissionspulse 15, 17. Diese werden im Signalteiler/-kombinierer 3 phasenrichtig überlagert, da beide Pulse 15, 17 die exakt gleiche Weglänge (jeweils einmal Leitung 4 und Leitung 5) zurücklegen. Die additive Überlagerung der Transmissionspulse 15, 17 ist nicht weiter schlimm, da das Messobjekt 12 als reziprok angenommen werden kann, so dass die Transmissionspulse 15, 17 perfekt identisch sind. Zeitlich lassen sich die Transmissionspulse 15, 17 von den Reflexionspulsen 14, 16 trennen, da ihre Weglänge länger als die zurückgelegte Länge von Reflexionspuls 14, aber kürzer als die zurückgelegte Weglänge von Reflexionspuls 16 ist.
9 verdeutlicht ein Eintreffen des zweiten Reflexionspulses 16 als letztes am Messgerät 6, da er die längste Weglänge (zweimal Leitung 5) zurücklegen muss.
Das gemessene Zeitsignal in Form der Signale oder Pulse 14, 15, 16, 17 ist in 10 dargestellt. Sehr deutlich lassen sich die einzelnen Pulse 14, 15, 16, 17 für die zugehörigen Streuparameter auf der Zeitachse voneinander trennen. Die Pulse 14 und 16 enthalten hierbei Informationen über die Streuparameter S 11 und S22. Der gemeinsame Ausschlag der Transmissionspulse 15, 17 enthält die Information $S21+S12 = 2 * S 21 = 2 * S 12.$
Mit einem einfachen Timegating (zeitliche Fensterung) lassen sich die Pulse 14, 15, 16, 17 voneinander trennen. Hierbei befinden sich die Reflexionspulse 14, 16 immer an denselben Zeitpunkten, welche von den Verzögerungsleitungen 4, 5 definiert werden. Die Lage des Transmissionspulses 15, 17 ist immer zwischen den beiden Reflexionspulsen 14, 16, kann jedoch zeitlich etwas variieren. Diese Variation hängt von der Ausprägung, maßgeblich von der Dicke und der Permittivität der Materialprobe 12 ab. Der Übergang zu erforderlichen, frequenzabhängigen Streuparametern 14, 15, 16, 17 erfolgt mittels der Fouriertransformation, nachdem die Zeitsignale voneinander getrennt wurden. Zwar enthalten die so erzeugten Streuparameter 14, 15, 16, 17 noch Informationen über die Leistungsstrukturen 2, 4, 5, diese lassen sich aber mit einem geeigneten Kalibrierverfahren (z.B. TLR) eliminieren.
Die Wahl des Probenvolumens hängt von der verwendeten Leitungsart bzw. den verwendeten Koppelstrukturen ab. Bei der Verwendung dielektrischer Wellenleiter lässt sich eine minimale Probengröße (Länge*Breite*Dicke) von $V_{min} = λ * λ * λ / 10 = λ^{3} /10$
abschätzen. Unter Verwendung eines Reflektometers bei 80GHz ergibt sich beispielsweise ein minimales Probenvolumen von 5,27 mm³ = 5,27µl.

Claims

Vorrichtung (1) zur Bestimmung von Materialeigenschaften einer Probe (12), umfassend ein Eintormessgerät (6), eine mit einem 1-Port (13) des Eintormessgeräts (6) signaltechnisch gekoppelte Signalleitungsstruktur und eine am, dem Eintormessgerät (6) gegenüberliegenden Ende der Signalleitungsstruktur angeordnete und mit der Probe (12) messtechnisch zu koppelnde Sonde (10, 11), dadurch gekennzeichnet, dass die Signalleitungsstruktur eine mit dem 1-Port (13) gekoppelte Signalleitung (2), eine Signalteilereinrichtung (3) und als Sonde (10, 11) eine erste Sonde (10) und eine zweite Sonde (11) aufweist, wobei die Signalteilereinrichtung (3) die Signalleitung (2) in eine mit der ersten Sonde (10) gekoppelte erste Signalleitung (4) und eine mit der zweiten Sonde (11) gekoppelte zweite Signalleitung (5) aufteilt, wobei die erste Signalleitung (4) und die zweite Signalleitung (5) unterschiedliche Laufzeiten für durchgeleitete Signale (8, 9, 14, 15, 16, 17) besitzen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Eintormessgerät (6) ein Reflektometer oder ein Radargerät ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Signalleitung (4) und die zweite Signalleitung (5) von unterschiedlicher Länge sind und/oder die Signalteilereinrichtung (3) ein Leitungsteiler, ein Leitungskombinierer oder eine Kombination davon ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalleitung (2) ein dielektrischer Wellenleiter ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sonde (10) und die zweite Sonde (11) und/oder die Signalleitung (2) aus einem Polymer gefertigt sind.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sonde (10) mit der ersten Signalleitung (4) und die zweite Sonde (11) mit der zweiten Signalleitung (5) nutzseitig austauschbar gekoppelt oder koppelbar sind.
Verfahren zur Bestimmung von Materialeigenschaften einer Probe (12) mittels einer Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Speisesignal (7) von einem 1-Port (13) eines Eintormessgeräts (6) in eine Signalleitungsstruktur mit einer Signalleitung (2) eingespeist wird, die mittels eines Leitungsteilers (3) in eine erste Signalleitung (4) und eine zweite Signalleitung (5) aufgeteilt ist, das Speisesignal (7) in ein durch die erste Signalleitung (4) geleitetes erstes Teilspeisesignal (8) und ein durch die zweite Signalleitung (5) geleitetes zweites Teilspeisesignal (9) aufgeteilt wird, wobei die erste Signalleitung (4) und die zweite Signalleitung (5) unterschiedliche Laufzeiten für die Teilspeisesignale (8, 9) besitzen, das erste Teilspeisesignal (8) wird mittels der ersten Signalleitung (4) infolge der unterschiedlichen Laufzeit zeitversetzt zu einer ersten Sonde (10) und das zweite Teilspeisesignal (9) wird mittels der zweiten Signalleitung (5) infolge der unterschiedlichen Laufzeit zeitversetzt zu einer zweiten Sonde (11) geleitet, und Messsignale (14, 15, 16, 17) des durch die Probe (12) gestreuten ersten Teilspeisesignals (8) werden durch die erste Signalleitung (4) und den Leitungsteiler (3) und Messsignale (14, 15, 16, 17) des durch die Probe (12) gestreuten zweiten Teilspeisesignals (9) werden durch die zweite Signalleitung (5) und den Leitungsteiler (3) zurück zum 1-Port (13) des Eintormessgeräts (6) geleitet und messtechnisch analysiert.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Probe (12) stammenden Messsignale (14, 15, 16, 17) ein erstes Reflexionssignal (14), ein zweites Reflexionssignal (16) und ein Transmissionssignal (15, 17) umfassen.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Probe (12) stammenden Messsignale (14, 15, 16, 17) mittels Timegating zeitlich voneinander separiert werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus den zeitlich separierten Messsignalen (14, 15, 16, 17) mittels Fouriertransformation frequenzabhängige Streuparameter ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Speisesignal (7) eine Frequenz mit einer Bandbreite zwischen 70 GHz und 90 GHz besitzt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sonde (10) und die zweite Sonde (11) an einander gegenüberliegenden Seiten der Probe (12) angeordnet werden oder sind.