FI122901B - Method, measurement apparatus and computer program product for measuring the electromagnetic properties of materials - Google Patents
Method, measurement apparatus and computer program product for measuring the electromagnetic properties of materials Download PDFInfo
- Publication number
- FI122901B FI122901B FI20095811A FI20095811A FI122901B FI 122901 B FI122901 B FI 122901B FI 20095811 A FI20095811 A FI 20095811A FI 20095811 A FI20095811 A FI 20095811A FI 122901 B FI122901 B FI 122901B
- Authority
- FI
- Finland
- Prior art keywords
- measuring
- reflection coefficient
- parameters
- complex
- equation
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
- G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
- G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
- G01R27/2617—Measuring dielectric properties, e.g. constants
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/12—Measuring magnetic properties of articles or specimens of solids or fluids
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/12—Measuring magnetic properties of articles or specimens of solids or fluids
- G01R33/1215—Measuring magnetisation; Particular magnetometers therefor
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/12—Measuring magnetic properties of articles or specimens of solids or fluids
- G01R33/1223—Measuring permeability, i.e. permeameters
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
- G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
- G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
- G01R27/2617—Measuring dielectric properties, e.g. constants
- G01R27/2635—Sample holders, electrodes or excitation arrangements, e.g. sensors or measuring cells
- G01R27/2647—Sample holders, electrodes or excitation arrangements, e.g. sensors or measuring cells of coaxial or concentric type, e.g. with the sample in a coaxial line
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Description
MENETELMÄ, MITTAUSLAITTEISTO JA TIETOKONEOHJELMATUOTE MATERIAALIEN SÄHKÖMAGNEETTISTEN OMINAISUUKSIEN MITTAAMISEKSIMETHOD, MEASUREMENT EQUIPMENT AND COMPUTER SOFTWARE PRODUCT FOR MEASURING THE ELECTROMAGNETIC PROPERTIES OF MATERIALS
KEKSINNÖN TAUSTABACKGROUND OF THE INVENTION
5 Keksinnön ala:Field of the Invention:
Esillä oleva keksintö koskee materiaalien sähkömagneettisten parametrien mittaamista, erityisesti kompleksisen taitekertoimen, kompleksisen aaltoim-pedanssin, kompleksisen sähköisen permittiivisyyden ja 10 kompleksisen magneettisen permeabiliteetin mittaamis ta .The present invention relates to the measurement of electromagnetic parameters of materials, in particular to complex refractive index, complex wave impedance, complex electrical permittivity and complex magnetic permeability.
Liittyvän tekniikan kuvaus:Description of Related Technology:
Viime aikoina on alettu kasvavassa määrin 15 tarvita nopeaa ja tarkkaa tietoa materiaalien sähkö magneettisista ominaisuuksista erittäin monien alojen suunnittelu- ja kehitysprosesseissa elintarvikkeiden jalostuksesta tietoliikennejärjestelmiin. Materiaalien sellaisten parametrien ymmärtäminen ja mittaaminen ku-20 ten kompleksinen taitekerroin n ja kompleksinen säh köinen permittiivisyys ε on olennaista myös tieteelliselle perustutkimukselle.Recently, there is an increasing need for rapid and accurate information on the electromagnetic properties of materials in the design and development processes of a wide range of industries from food processing to telecommunication systems. Understanding and measuring such parameters of materials as complex refractive index n and complex electrical permittivity ε is also essential for basic scientific research.
Virittämättömiä tekniikoita kuten läpäisy- ja heijastusmittauksia käytetään nykyisin materiaalien 25 sähkömagneettisten ominaisuuksien karakterisoimiseksi, ks. esim. L. Chen, V. V. Varadan, C. K. Ong, C. P. o Neo: Microwave Electronics: Measurement and MaterialsUntuned techniques such as transmittance and reflectance measurements are currently used to characterize the electromagnetic properties of materials, cf. e.g., L. Chen, V. V. Varadan, C. K. Ong, C. P. o Neo: Microwave Electronics: Measurement and Materials
CVJCVJ
^ Characterization, John Wiley and Sons, 2004. Näiden ^ tekniikoiden perusteet on vakiinnutettu jo 1970- 30 luvulla Nicolsonin, Rossin ja Weirin uraauurtavissa g artikkeleissa (A. M. Nicolson ja G. F. Ross: Measure- ment of the intrinsic properties of materials by time- °° domain techniques, IEEE Trans. Instrum. Meas., osa IM- o 19, s. 377-382, marraskuu 1970; William Weir: Automat- o 0X1 35 ic measurement of complex dielectric constant and per meability at microwave frequencies, Proc. IEEE, osa 2 62, s. 33-36, tammikuu 1974). Nämä tekniikat ovat suhteellisen yksinkertaisia ja tarkkoja. Niiden etuna on materiaalien ja laitteiden laajakaistainen karakterisointi. Lähes neljän vuosikymmenen ajan niitä on käy-5 tetty laajasti monenlaisten synteettisten ja luonnonmateriaalien permittiivisyyden ja permeabiliteetin mittaamiseen.^ Characterization, John Wiley and Sons, 2004. The foundations of these techniques have already been established in the pioneering articles of Nicolson, Ross, and Weir by AM in the 1970s and 30s (AM Nicolson and GF Ross: Measurement of the Intrinsic Properties of Materials by Time). domain techniques, IEEE Trans Instr. Meas., Vol. IM-o 19, pp. 377-382, Nov. 1970; William Weir: Automated 0X1 35 ic Measurement of Complex Dielectric Constant and Microwave Frequencies, Proc. , Vol. 2, 62, pp. 33-36, January 1974). These techniques are relatively simple and accurate. Their advantage is the broadband characterization of materials and equipment. For nearly four decades, they have been widely used to measure the permittivity and permeability of a variety of synthetic and natural materials.
Alkuperäisen Nicolsonin-Rossin-Weirin (NRW) menetelmän tunnettuna haittapuolena on se, että S-10 parametrien mittaukset on muunnettava kalibrointiver-tailutasoista materiaalin pinnoille. Vertailutasojen sijainti vaikuttaa voimakkaasti läpäisy- ja heijastus-signaalien vaiheisiin, joten S-parametrien muunnosten epävarmuudet voivat johtaa merkittäviin virheisiin. 15 Tämän muunnoksen tarkkuutta voidaan parantaa monin tavoin, esimerkiksi lisäämällä useampia vaiheita kalib-rointiprosessiin tai suorittamalla lisälaskenta-algoritmeja, jotka monimutkaistavat mittausta. Nicolsonin-Rossin-Weirin algoritmin lisäksi muihin läpäi-20 sy/heijastusmittauksiin perustuviin menetelmiin liittyy samankaltaisia vaikeuksia.A known disadvantage of the original Nicolson-Ross-Weir (NRW) method is that the measurements of the S-10 parameters must be converted from calibration reference levels to material surfaces. The location of the reference levels strongly affects the phases of the transmission and reflection signals, so uncertainties in the S-parameter transformations can lead to significant errors. The accuracy of this conversion can be improved in many ways, for example by adding more steps to the calibration process or by performing additional computation algorithms that complicate the measurement. In addition to the Nicolson-Ross-Weir algorithm, other methods based on transmittance / reflection measurements have similar difficulties.
Tärkeä edistysaskel saavutettiin 1990, kunAn important step was made in 1990 when
Baker-Jarvis ja hänen työtoverinsa osoittivat, että on mahdollista johtaa S-parametriyhtälöt, jotka ovat ver- 25 tailutason suhteen invariantteja (ks. J. Baker-Jarvis, E. J. Venzura, W. A. Kissick: Improved technique for determining complex permittivity with transmis- sion/reflection method, IEEE Tran. Microw. Theory o ^ Tech., osa 38, s. 1096-1103, elokuu 1990). Joidenkin οό o 30 näistä yhtälöistä avulla he osoittivat, että on mah- ^ dollista erottaa materiaalien parametrien arvot käytin täen iteratiivista algoritmia. Tähän algoritmiin tar-Baker-Jarvis and coworkers demonstrated that it is possible to derive S-parameter equations that are invariant with respect to the reference level (see J. Baker-Jarvis, EJ Venzura, WA, Kissick: Improved Technique for Determining Complex Permittivity with Transmission / reflection method, IEEE Tran. Microw. Theory o ^ Tech., Vol. 38, pp. 1096-1103, August 1990). With the help of some of these 30 equations, they showed that it was possible to separate the values of the material parameters using an iterative algorithm. This algorithm requires
CLCL
vitaan joitakin permittiivisyyden ja permeabiliteetin ^ alkuarvoja syötteeksi, ja siinä onkin yksi sen rajoi-consider some initial values of permittivity and permeability as input, and there is one of its limits
LOLO
g 35 tuksista: tarvitaan hyvä arvaus, muuten algoritmi voi ^ tuottaa vääriä tuloksia.g 35 tests: a good guess is needed, otherwise the algorithm may produce false results.
33
Toinen puute käytettäessä Baker-Järvisin menetelmää on se, että sitä ei voida käyttää magneettisten materiaalien permeabiliteetin määrittämiseen.Another disadvantage when using the Baker-Järvis method is that it cannot be used to determine the permeability of magnetic materials.
5 KEKSINNÖN YHTEENVETOSUMMARY OF THE INVENTION
Esillä olevassa keksinnössä esitellään menetelmä materiaalien sähkömagneettisten parametrien mittaamiseksi .The present invention provides a method for measuring electromagnetic parameters of materials.
Menetelmässä yhdistetään NRW:n ja Baker- 10 Järvisin tekniikoiden ideat. Tarkemmin sanottuna si-rontaparametrit yhdistetään tietyksi joukoksi vertai-lutason suhteen invariantteja yhtälöitä (kuten Baker-Jarvisilla) ja yhtälöitä käytetään yhdessä ryhmäno-peusdatan kanssa (kuten NRW:llä). Tulokseksi saadaan 15 yksinkertainen, eksplisiittinen ja vertailutason suhteen invariantti metodologia, jota voidaan käyttää se kä dielektristen että magneettisten materiaalien karakterisointiin. NRW:hen verrattuna tämän menetelmän etuna on se, että käytetään vertailutason suhteen in-20 variantteja suureita, joten se on helpompi toteuttaa ja lisäksi vertailutasojen sijainnista johtuvia virheitä ei synny. Baker-Järvisin algoritmiin verrattuna parannus saadaan käyttämällä näytettä koskevia lisätietoja, jotka saadaan ryhmänopeusmittauksista. Tämä 25 poistaa epävarmuuden vaiheen määrityksessä. Koska lisäksi tuloksemme eivät ole riippuvaisia hyvien alkuarvojen valinnasta s:lle ja u:lle kuten Baker-c\j q Järvisillä, voidaan myös karakterisoida ominaisuuksil-The method combines the ideas of NRW and Baker-Järvis techniques. More specifically, the scattering parameters are combined into a set of reference-level invariant equations (as in Baker-Jarvis), and the equations are used in combination with group rate data (as in NRW). The result is 15 simple, explicit, and comparatively invariant methodologies that can be used to characterize hand dielectric and magnetic materials. Compared to NRW, this method has the advantage of using in-20 variants with respect to the reference level, so it is easier to implement and, moreover, errors due to the location of the reference levels are not generated. Compared to the Baker-Järvis algorithm, the improvement is obtained by using additional sample information obtained from group speed measurements. This removes the uncertainty in the step definition. In addition, since our results are not dependent on choosing good initial values for s and u such as Baker-c \ j q in Järvys,
<M<M
i taan tuntemattomia dielektrisiä materiaaleja ja lisäk-unknown dielectric materials and additional
oo J Joo J J
? 30 si materiaaleja, joilla on magneettisia ominaisuuksia suurilla taajuuksilla.? 30 materials with magnetic properties at high frequencies.
ir Menetelmälle on ominaista, että se käsittää τ_ seuraavat vaiheet: oo mitataan materiaalinäytteen pituus, o 35 määritetään mittalaitteen porttien välinen o etäisyys, 4 määritetään sirontaparametrit mittaamalla läpäisy- ja heijastussignaalit materiaalinäyte sijoitettuna mittalaitteen porttien väliin ja ilman materiaa-linäytettä, 5 lasketaan materiaalin heijastuskerroin, jossa heijastuskerroin riippuu sirontaparametreista, mutta heijastuskertoimen laskennassa käytettävä yhtälö on riippumaton materiaalinäytteen ja mittalaitteen porttien välisistä etäisyyksistä, 10 lasketaan materiaalin läpi etenevän poikit taisen sähkömagneettisen aallon etenemissuhde, jossa etenemissuhde riippuu sirontaparametreista ja heijas-tuskertoimesta, mutta etenemissuhteen laskennassa käytettävä yhtälö on riippumaton materiaalinäytteen ja 15 mittalaitteen porttien välisistä etäisyyksistä, ja lasketaan materiaalin sähkömagneettiset parametrit heijastuskertoimen ja etenemissuhteen perusteella .ir The method is characterized in that it comprises τ_ the following steps: oo measure the length of the material sample, o 35 determine the distance between the gates of the measuring device, 4 determine the scattering parameters by measuring the transmission and reflection signals between the gates of the measuring device and without where the reflection coefficient depends on the scattering parameters, but the equation used to calculate the reflection coefficient is independent of the distances between the material sample and the gates of the measuring device, 10 is calculated distances between the gates, and calculate the electromagnetic parameters of the material based on progression.
Esillä olevan keksinnön eräässä sovelluksessa 20 etenemissuhde P ja heijastuskertoimen neliö Γ2, jotka ovat vertailutason suhteen invariantteja, lasketaan seuraavasti: p2 - ä(i + B j+ (1 -Bf ± -j- AÄ‘B‘ + [λ(ι + B j- (l -Bf ]In one embodiment of the present invention, the propagation ratio P and the square of the reflection coefficient Γ2, which are invariant with respect to the reference plane, are calculated as follows: p2 - ä (i + B j + (1 -Bf ± -j- AÄ'B '+ [ - (l -Bf]
2 AB ~ 2 AB2 AB ~ 2 AB
1 . -|-i2 2 inL C C1. - | -i2 2 inL C C
„ 1 + Γ A _ ύ11ύ22 P = R-e λ d =- Μ 25 1 + 5Γ2 , missä S2lSn .„1 + Γ A _ ύ11ύ22 P = R-e λ d = - Μ 25 1 + 5Γ2, where S2lSn.
O i4„(Lair-L) CO B — eX (^21^12 _ ^11^22 ) ; ja *^21 , missä S±j osoittaa mittalaitteen portista j £ porttiin i mitattuja läpäisy- ja heijastussignaaleja 30 ja λ osoittaa signaalin aallonpituutta porttien välisin sä olevalla alueella materiaalin ulkopuolella.O 14 (Lair-L) CO B - eX (^ 21 ^ 12 _ ^ 11 ^ 22); and * ^ 21, where S ± j indicates the transmission and reflection signals 30 measured from port j to port i of the measuring device, and λ indicates the wavelength of the signal in the region between the ports outside the material.
05 § Esillä olevan keksinnön eräässä sovelluksessaSection 05 In one embodiment of the present invention
CMCM
menetelmä käsittää lisäksi kompleksisen taitekertoimen 5 tai kompleksisen aaltoimpedanssin laskemisen etenemis-suhteen ja/tai heijastuskertoimen perusteella.the method further comprising calculating a complex refractive index 5 or a complex wave impedance based on the propagation ratio and / or reflection coefficient.
Esillä olevan keksinnön eräässä sovelluksessa lasketaan eksplisiittisesti kompleksinen taitekerroin 5 yhtälön ilnfL \P J perusteella ja/tai kompleksinen 1 + Γ aaltoimpedanssi yhtälön z = -—— perusteella.In one embodiment of the present invention, the complex refractive index 5 is explicitly calculated from the equation ilnfL \ P J and / or the complex 1 + Γ wave impedance from the equation z = -——.
Esillä olevan keksinnön eräässä sovelluksessa lasketaan kompleksinen sähköinen permittiivisyys ja kompleksinen magneettinen permeabiliteetti etenemis-10 suhteen ja/tai heijastuskertoimen perusteella.In one embodiment of the present invention, the complex electrical permittivity and complex magnetic permeability are calculated based on the propagation ratio and / or reflection coefficient.
Esillä olevan keksinnön eräässä sovelluksessa kompleksinen sähköinen permittiivisyys lasketaan yhtä-n e, - lön z perusteella ja kompleksinen magneettinen permeabiliteetti lasketaan yhtälön Pr~nz perusteella. 15 Esillä olevan keksinnön eräässä sovelluksessa ei-magneettisen materiaalin sähköinen permittiivisyys f = n^ lasketaan yhtälön < perusteella.In one embodiment of the present invention, the complex electrical permeability is calculated from equation n-1 to z, and the complex magnetic permeability is calculated from the equation Pr-nz. In one embodiment of the present invention, the electrical permittivity f = n ^ of a non-magnetic material is calculated from the equation <.
Esillä olevan keksinnön eräässä sovelluksessa tuntemattoman materiaalin magneettinen permeabiliteet-20 ti määritetään tarkistamalla, onko heijastuskertoimen neliön negatiivinen vai positiivinen neliöjuuri fyysisesti oikea vertaamalla laskettujen sirontaparametrien etumerkkiä mitattuihin sirontaparametreihin.In one embodiment of the present invention, the magnetic permeability of an unknown material is determined by checking whether the square of the square of the reflection coefficient negative or positive is physically correct by comparing the sign of the calculated scattering parameters with the measured scattering parameters.
Esillä olevan keksinnön eräässä sovelluksessaIn one embodiment of the present invention
CMCM
^ 25 materiaalin sähköinen permittiivisyys ja magneettinenElectrical permittivity and magnetic properties of 25 materials
CMCM
, permeabiliteetti määritetään sähköisen permittiivisyy- 00 ? den ja magneettisen permeabiliteetin toisistaan ero- <- tettavuuden avulla riippumatta heij astuskertoimen etu- ir merkistä., the permeability is determined by the electrical permittivity-00? and magnetic permeability, irrespective of the sign of the reflection coefficient.
CLCL
30 Esillä olevan keksinnön eräässä sovelluksessa oö mitataan ryhmänopeus tai ryhmäviive mittalaitteenIn one embodiment of the present invention, the group velocity or group delay is measured by a measuring device
LOLO
§ porttien välisen tilan matkalla, o cm Esillä olevan keksinnön eräässä sovelluksessa fyysisesti oikea ratkaisu lasketuille sähkömagneetti- 6 sille parametreille valitaan vertaamalla laskettua ryhmäviivettä mitattuun ryhmäviiveeseen.§ in space between gates, o cm In one embodiment of the present invention, the physically correct solution for the calculated electromagnetic parameters is selected by comparing the calculated group delay with the measured group delay.
Esillä olevan keksinnön toisen näkökohdan mukaisesti keksintö käsittää tietokoneohjelmatuotteen 5 materiaalin sähkömagneettisten parametrien mittaamiseksi. Tietokoneohjelmatuotteelle on ominaista, että se käsittää tietokoneohjelmakoodivälineet tallennettuna tietokoneella luettavissa olevalle tallennusvälineelle, jotka koodivälineet on järjestetty suoritta-10 maan minkä tahansa edellä kuvatun menetelmäsovelluksen vaiheet suoritettaessa mainittu ohjelma tietokoneessa.According to another aspect of the present invention, the invention comprises a computer program product 5 for measuring electromagnetic parameters. A computer program product is characterized in that it comprises computer program code means stored on a computer-readable medium, the code means being arranged to execute the steps of any of the methods described above when executing said program on a computer.
Esillä olevan keksinnön eräässä sovelluksessa tietokoneohjelmatuote on toteutettu käytettäväksi vek-toripiirianalysaattorissa.In one embodiment of the present invention, a computer program product is implemented for use in a vector circuit analyzer.
15 Esillä olevan keksinnön kolmannen näkökohdan mukaisesti keksintö käsittää mittauslaitteiston materiaalin sähkömagneettisten parametrien mittaamiseksi.According to a third aspect of the present invention, the invention comprises measuring apparatus for measuring electromagnetic parameters of a material.
Mittauslaitteistolle on lisäksi ominaista, että se käsittää : 20 mittausvälineet, jotka on konfiguroitu mit taamaan materiaalinäytteen pituus, mittausvälineet, jotka on konfiguroitu määrittämään mittalaitteen porttien välinen etäisyys, mittausvälineet, jotka on konfiguroitu mää-25 rittämään sirontaparametrit mittaamalla läpäisy- ja heijastussignaalit materiaalinäyte sijoitettuna mittalaitteen porttien väliin ja ilman materiaalinäytettä, ^ käsittelyvälineet, jotka on konfiguroitu las- o kemaan materiaalin heijastuskerroin, jossa heijastus-oo cp 30 kerroin riippuu sirontaparametreista, mutta heijastus- ^ kertoimen laskennassa käytettävä yhtälö on riippumaton materiaalinäytteen ja mittalaitteen porttien välisistäThe measuring apparatus is further characterized by comprising: 20 measuring means configured to measure the length of the material sample, measuring means configured to determine the distance between the gates of the measuring device, measuring means configured to determine the scattering parameters by measuring the transmission and reflection signals with and without a material sample, ^ processing means configured to calculate the reflection coefficient of the material, where the reflection-oo cp 30 coefficient depends on the scattering parameters, but the equation used to calculate the reflection ^ coefficient is independent of the material port and the gauge ports
CLCL
etäisyyksistä, ^ käsittelyvälineet, jotka on konfiguroitu las in g 35 kemaan materiaalin läpi etenevän poikittaisen sähkö- ^ magneettisen aallon etenemissuhde, jossa etenemissuhde riippuu sirontaparametreista ja heijastuskertoimesta, 7 mutta etenemissuhteen laskennassa käytettävä yhtälö on riippumaton materiaalinäytteen ja mittalaitteen porttien välisistä etäisyyksistä, ja käsittelyvälineet, jotka on konfiguroitu las-5 kemaan materiaalin sähkömagneettiset parametrit hei-jastuskertoimen ja etenemissuhteen perusteella.distances, the processing means configured to glass in g 35 the propagation ratio of the transverse electromagnetic wave propagating through the material, the propagation ratio being dependent on the scattering parameters and the reflectivity, 7 but the equation used for is configured to calculate the electromagnetic parameters of the material based on the reflection coefficient and the propagation ratio.
Esillä olevan keksinnön eräässä sovelluksessa mittauslaitteisto käsittää lisäksi välineet, jotka on konfiguroitu suorittamaan jokin edellä kuvatuista me-10 netelmän sovelluksista.In one embodiment of the present invention, the measuring apparatus further comprises means configured to perform any of the above-described embodiments of the method.
PIIRUSTUSTEN LYHYT KUVAUSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Kuvio 1 esittää kahden eri materiaalien rajapinnan välisten useiden heijastusten mallia, 15 kuvio 2 esittää sellaisen lähetysputken mal lia, joka sisältää materiaalia, jonka pituus on L, missä Lj (j = 1, 2) osoittaa etäisyyttä S-parametrin mittauksen vertailutasosta vastaavaan ilman ja testattavan materiaalin väliseen rajapintaan, 20 kuvio 3 esittää vertailutason suhteen inva rianttia mittausmallia, jossa L osoittaa näytteen pituutta ja Lair osoittaa S-parametrin mittauksen kalib-rointitasojen välistä etäisyyttä, kuvio 4 esittää mittausjärjestelyä, jolla mi-25 tataan materiaalien sähkömagneettisia parametreja mik-roaaltotaajuusalueella 2-18 GHz, kuvio 5 esittää Nicolsonin-Rossin-Weirin me-Figure 1 shows a pattern of multiple reflections between two interfaces of different materials, Figure 2 shows a model of a transmission tube containing material of length L, where Lj (j = 1, 2) indicates the distance from the reference plane of measurement of the S parameter and the at the interface between the materials, Figure 3 shows a reference plane invariant measurement model, where L indicates the sample length and Lair indicates the distance between the calibration levels of the S parameter measurement, Figure 4 illustrates a measuring arrangement for micromanaging the electromagnetic parameters of materials. 18 GHz, Figure 5 shows Nicolson-Ross-Weir
OJOJ
o netelmällä (NRW) ja keksinnön mukaisella vertailutasono method (NRW) and a reference level according to the invention
(M(M
^ suhteen invariantilla menetelmällä (RPI) saadun komp- ° 30 leksisen permittiivisyyden välistä vertailua 20 mm pi- tuisen PVC-näytteen osalta, ja g kuvio 6 esittää Nicolsonin-Rossin-Weirin me- netelmällä (NRW) ja keksinnön mukaisella vertailutason g suhteen invariantilla menetelmällä (RPI) saadun komp- o 35 leksisen permittiivisyyden välistä vertailua 20 mm pi-a comparative permittivity of the Complex 30 permittivity obtained by the invariant invariant method (RPI) for a 20 mm PVC sample, and g Figure 6 shows the Nicolson-Rossin-Weir method (NRW) and the comparative level g invariant method of the invention (RPI) comparing the lexical permittivity of the obtained component 35 with a 20 mm
OO
0X1 tuisen PTFE-näytteen osalta.0X1 for a PTFE sample.
88
SOVELLUSTEN YKSITYISKOHTAINEN KUVAUSDETAILED DESCRIPTION OF THE APPLICATIONS
Seuraavassa viitataan yksityiskohtaisesti esillä olevan keksinnön sovelluksiin, joiden esimerkkejä on havainnollistettu oheisissa piirustuksissa.Reference will now be made in detail to the embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings.
5 Ensin mittausta mallinnetaan klassisen sähkö- dynamiikan puitteissa. Esitämme uuden algoritmin, joka on vertailutason suhteen invariantti, ja osoitamme, kuinka sen avulla voidaan määrittää kompleksinen taitekerroin ja kompleksinen permittiivisyys ja permeabi-10 liteetti.5 First, the measurement is modeled within the classical electric dynamics. We present a novel algorithm that is invariant to the reference plane and demonstrate how it can be used to determine complex refractive index and complex permittivity and permeability.
Aloitamme johtamalla S-parametrien ja materiaalin parametrien väliset matemaattiset suhteet. Kuvaamme poikittaisten sähkömagneettisten aaltojen sirontaa kuviossa 1 havainnollisesti esitetyn monihei-15 jastusmallin avulla. Tässä kuviossa osissa 12 ja 14 on ensimmäistä materiaalia, jonka sähköinen permittiivisyys on ει ja jonka magneettinen permeabiliteetti on μι. Toinen materiaali sijaitsee kahden osan välissä tilassa 13, ja sen pituus on L, sähköinen permittiivi-20 syys on 82 ja magneetttinen permeabiliteetti on μ2. Kahden materiaalin väliset rajapinnat on esitetty viitenumeroilla 10 ja 11.We begin by deriving the mathematical relationship between S parameters and material parameters. We illustrate the scattering of transverse electromagnetic waves using the multi-beam-15 pattern illustrated in Figure 1. In this figure, parts 12 and 14 contain a first material having an electrical permittivity ει and a magnetic permeability μι. The second material is located between the two portions in space 13 and has a length L, an electrical permittivity 20 of 82, and a magnetic permeability of µ2. The interfaces between the two materials are shown by reference numerals 10 and 11.
Tässä mallissa kokonaisheijastus- ja lä-päisykertoimet voidaan laskea superpositioperiaatteen 25 avulla. Koska matkan L etenevään poikittaiseen sähkömagneettiseen aaltoon (TEM) syntyy vaihemuutos, joka on 2nL/X, missä λ on aallonpituus kyseisellä alueella, 0 L:n pituisen materiaalin läpi kulkevan TEM-aallon ete- c\i pk nemissuhde saadaan seuraavasta yhtälöstä: Z 30 ^ P = e~^L , (1)In this model, the total reflectance and transmittance can be calculated using the superposition principle 25. Since a transverse electromagnetic wave (TEM) traveling at distance L generates a phase change of 2nL / X, where λ is the wavelength in the region, the etch ratio of the TEM wave passing through the 0 L material is given by the following equation: Z 30 ^ P = e ~ ^ L, (1)
CCCC
Q_ _ missä y2 = ΐω/ν2 = icon2 /c = ϊω-^μ2ε2 .Q_ _ where y2 = ΐω / ν2 = icon2 / c = ϊω- ^ μ2ε2.
oöob
LOLO
CD ...CD ...
o 35 Kokonaisheijastuskerroin on ^ rfi _ P2) r =Γ + 7’ T TP2+T T r3P4+ t_i_L (2) 1 toi 1 ^^21^121^ ^-^21-^121 * „2n2 ' 'Z 'o 35 The total reflection coefficient is ^ rfi _ P2) r = Γ + 7 'T TP2 + T T r3P4 + t_i_L (2) 1 toi 1 ^^ 21 ^ 121 ^ ^ - ^ 21- ^ 121 *' 2n2 '' Z '
l-Γ Pl-Γ P
9 J _ |g2Ml missä Γ =-' . (3) j _l_ £2^1 V ^lf^2 ja Γ12=1 + Γ =-(4) 1+ g^2 Vei^2 V ε2^1 5 Samalla tavoin kokonaisläpäisykerroin Γ:η ja P:n suhteen on p(l-r2) r“=TW (5) 10 Kuviossa 2 on esitetty läpäi- sy/heijastusmittauksen standardimalli. Lähetysputki on jaettu kolmeen alueeseen 22, 23 ja 24. Ensimmäisen portin vertailutasoa osoittaa viitenumero 20, kun taas toisen portin vertailutasoa osoittaa viitenumero 21. 15 Vertailutasojen sijainti määrää arvot Li ja L2. Tyypil lisesti Li:n ja L2:n pituisten alueiden oletetaan olevan täynnä ilmaa ja L:n pituinen keskialue on täytetty materiaalilla, jonka suhteellinen permittiivisyys on ε μ er=— ja suhteellinen permeabiliteetti on μΓ-—. Ma- £o μ0 20 teriaalin kompleksinen taitekerroin voidaan ilmaista yhtälönä n = · Jos oletetaan, että permittiivisyys9 J _ | g2Ml where Γ = - '. (3) j _l_ £ 2 ^ 1 V ^ lf ^ 2 and Γ12 = 1 + Γ = - (4) 1+ g ^ 2 Vei ^ 2 V ε2 ^ 1 5 Similarly, the total coefficient of penetration for η: η and P is p (l-r2) r '= TW (5) 10 Figure 2 shows a standard model for transmission / reflectance measurement. The transmission tube is divided into three areas 22, 23, and 24. The reference level of the first port is indicated by reference numeral 20, while the reference level of the second port is indicated by reference numeral 21. The location of the reference levels determines L1 and L2. Typically, the regions L 1 and L 2 are assumed to be filled with air, and the center region L is filled with material with a relative permittivity ε μ er = - and a relative permeability μΓ-—. The complex refractive index of Ma-£ μ0 20 can be expressed as n = · Assuming the permittivity
Ovi , a ]a permeabiliteetti μι ovat samat kuin vapaa tilan ? permittiivisyys εο ja vapaan tilan permeabiliteetti μο, T- yhtälö (3) voidaan kirjoittaa uudelleen seuraavaan c 25 muotoon:Door a] a permeability μι are the same as free space? permittivity εο and free space permeability μο, the T equation (3) can be rewritten to the following form c 25:
CLCL
S r = 77T (6) σ> ζΛΛ o oS r = 77T (6) σ> ζΛΛ o o
CMCM
10 missä z = ^μΓ Ier on impedanssi suhteessa tyhjiöön (ko-konaisimpedanssi Z = μ/ε = Z0z , missä Z0 = ·^μ0/ε0 =120πΩ on tyhjiön ominaisimpedanssi).10 where z = ^ μΓ Ier is the impedance relative to the vacuum (total impedance Z = μ / ε = Z0z, where Z0 = · ^ μ0 / ε0 = 120πΩ is the specific impedance of the vacuum).
Tämän jakson loppuosassa keskitytään pääasi-5 assa näiden kahden suureen, z:n ja n:n, määritykseen koedatan perusteella. Moniheijastusmallin perusteella S-parametrit ilmaistaan Γ:η ja P:n suhteen seuraavasti : 10 sn= e-2’·1·r„, = e-2’·1· (7)The remainder of this section focuses mainly on the determination of these two variables, z and n, based on test data. Based on the multi-reflection model, the S parameters are expressed as Γ: η and P as follows: 10 sn = e-2 '· 1 · r „, = e-2’ · 1 · (7)
Si2 β--'Λ Τ^~ζ) (8) ja (9) missä γι = ίωηλ le «ico/c (c on valonnopeus tyhji- 15 össä) .Si 2 β - 'Λ Τ ^ ζ ζ) (8) and (9) where γι = ίωηλ le «ico / c (c is the speed of light in vacuum).
Kun lähetysputken sisällä ei ole näytettä, Γ=0, γι=γ2, ja siten: S°21 = e~ri(Ll+l2+L) = e~r'(A^ (10) 20When there is no sample inside the transmission tube, Γ = 0, γι = γ2, and thus: S ° 21 = e ~ ri (L1 + l2 + L) = e ~ r '(A ^ (10) 20
Yhtälön 10 perusteella voidaan kokeellisesti määrittää ilmaputken pituus Lair kalibroimalla vektori-piirianalysaattori ja mittaamalla sitten lähetys tyhjän ilmaputken läpi : n vaiheen saamiseksi.From equation 10, the length of the air tube Lair can be experimentally determined by calibrating the vector circuit analyzer and then measuring the transmission through the empty air tube to obtain the step.
^ 25 Seuraavassa vaiheessa Γ ja P ilmaistaan S- o w parametrien avulla. Tämä vastaa Nicolsonin-Rossin- o Weirin algoritmia sillä olennaisella erolla, ettei Γ ^ eikä P määräydy Li:n ja L2tn mukaisesti. Itse asiassa x suhteellisen suurilla taajuuksilla toimivissa ilmaput- 30 kissa Li:n ja L2in mittaukset ovat alttiita suhteelli- ^ sen suurille epävarmuuksille. Nämä virheet periytyvät σ> edelleen S-parametrien vaihekertoimiin, o / \ iAvföLj S(2riLJ) = —^f (11) 11 missä 7 e {1,2}, mikä johtaa vaihekertoimien suurempiin virheisiin suuremmilla taajuuksilla.^ 25 In the next step, Γ and P are expressed by the parameters S-o w. This corresponds to the Nicolson-Rossino-Weir algorithm with the fundamental difference that neither Γ ^ nor P is determined by Li and L 2. In fact, in air ducts operating at relatively high frequencies, the measurements of L1 and L2in are subject to relatively high uncertainties. These errors are σ> further inherited in the phase coefficients of the S parameters, / / i ivföLj S (2riLJ) = - ^ f (11) 11 where 7e {1,2}, which results in larger errors in the phase coefficients at higher frequencies.
Kuvio 3 esittää vertailutason suhteen inva-5 riantin mittauksen kaavamaista mallia. Ensimmäinen materiaali sijoitetaan tiloihin 32 ja 34 ja se on edullisesti ilmaa. Ilmatilojen välissä on toista materiaalia 33, jonka pituus on L ja permittiivisyys ja per-meabiliteetti ovat £2 ja μ2. Kalibrointitasot on osoi-10 tettu viitenumeroilla 30 ja 31, ja niiden keskinäinen etäisyys on Lair.Figure 3 shows a schematic model for measuring the invasive variant relative to the reference plane. The first material is housed in spaces 32 and 34 and is preferably air. Between the air spaces is another material 33 of length L and permeability and permeability of £ 2 and µ2. The calibration levels are indicated by reference numerals 30 and 31 and their spacing is Lair.
Aloitamme määrittelemällä kaksi mitattaviin suureisiin liittyvää suuretta, nimittäin seuraavat: 15 rLJd!1, (12) &A (i_rh />’ ja B = -SnS2)=lhp-, (13) missä ^ on signaalin aallonpituus mate- 20 riaalin ulkopuolella olevalla alueella.We begin by defining two variables related to the quantities being measured, namely: 15 rLJd! 1, (12) & A (i_rh /> 'and B = -SnS2) = lhp-, (13) where ^ is the wavelength of the signal in the region outside the material. .
S-parametrit mitataan kokeellisesti vektori-piirianalysaattorilla (VNA), ilmaputken pituus Lair saadaan yhtälöstä (10), ja näytteen pituus L mitataan ennen näytteen asettamista ilmaputkeen.The S parameters are experimentally measured with a vector circuit analyzer (VNA), the air tube length Lair is obtained from equation (10), and the sample length L is measured before the sample is inserted into the air tube.
^ 25 Ratkaisemalla yhtälö (13) P2: n osalta δ^ 25 By solving equation (13) for P2, δ
(M(M
oh R + r2 9 (14) ^ 1 + ΒΓ2oh R + r2 9 (14) ^ 1 + ΒΓ2
XX
tr ja sijoittamalla tämä takaisin yhtälöön 12 saadaan: 30 $ r2(i -b)2 I ^>+r2)Mr2)· (15) (M v 12tr and placing this back in Equation 12 gives: $ 30 r2 (i -b) 2 I ^> + r2) Mr2) · (15) (M v 12
Nyt lähestytään keksinnön varsinaisia tuloksia, ja keksinnön ensimmäisessä sovellusesimerkissä kuvataan, kuinka kompleksinen taitekerroin n voidaan mitata esillä olevalla menetelmällä.The actual results of the invention will now be approached, and the first embodiment of the invention will illustrate how the complex refractive index n can be measured by the present method.
5 Yhtälön (15) perusteella voidaan viimein rat kaista heijastuskertoimen neliö (Γ2) r2 -A(l + B2)+(i-Bf J-4A2B2 +[4 + g:)-(i-äyf5 Equation (15) can finally solve the square of the reflection coefficient (Γ2) r2 -A (l + B2) + (i-Bf J-4A2B2 + [4 + g:) - (i-yf
2 AB 2 AB2 AB 2 AB
10 missä tämän yhtälön etumerkki valitaan siten, että |Γ|^1. Nämä P2: n ja Γ2:n lausekkeet ovat ilmeisellä tavalla vertailutason suhteen invariantteja.10 where the sign of this equation is selected such that | Γ | ^ 1. These expressions P2 and Γ2 are obviously invariant with respect to the reference level.
Erittäin käyttökelpoinen, yksinkertaisempi P:n lauseke voidaan saada määrittelemällä toinen suure 15 R, joka liittyy suoraan sirontaparametreihin: R = s±_ylp(^) S°2l l-P2T2 missä Sy ja S°- ovat portista j porttiin i mitattuja 20 signaaleja materiaalin sijaitessa porttien välissä ja ilman materiaalia.A very useful, simpler expression of P can be obtained by defining another quantity 15 R, which is directly related to the scattering parameters: R = s ± _ylp (^) S ° 21l-P2T2 where Sy and S ° - are the signals measured from port j to port i between gates and without material.
Suureista Li ja L2 voidaan päästä eroon yhtälön (17) avulla: ratkaisemalla yhtälö etenemissuhteen P osalta ja sijoittamalla P2 yhtälöstä (14) yhtälöön 25 (17) jakajan paikalle saadaan δThe quantities L1 and L2 can be solved by equation (17): solving the equation for the propagation ratio P and placing P2 from equation (14) into equation 25 (17) gives the position δ
^ 1 + F2 1 , tU^ 1 + F2 1, tU
§ P = R-T^nL=R-5-/*. (18) ° \ + BT2 \ + BT2 a. Näiden laskelmien jälkeen olettaen, että 30 näytteen kummallakin puolella on vapaata tilaa, komp-δ leksinen taitekerroin voidaan määrittää seuraavasti: S ,- c lii § η = φ^ = —— In- , (19) c\i iItjjL \P) 13 tai eksplisiittiseinmin seuraavasti: 1 1 . f 1 + Γ2 λ n = 1--In -TR . (20)§ P = R-T ^ nL = R-5 - / *. (18) ° \ + BT2 \ + BT2 a. After these calculations, assuming that there is free space on each side of the 30 samples, the complex refractive index can be determined as follows: S, - c lii § η = φ ^ = —— In- , (19) c \ i iItjjL \ P) 13 or explicit walls as follows: 1 1. f 1 + Γ2 λ n = 1 - In -TR. (20)
YlL [l + BT2 ) 5 Yhtälöissä (19) ja (20) esitetty logaritmi funktio on moniarvoinen funktio, jonka tuloksena saadaan ääretön määrä diskreettejä n:n arvoja. Oikea ratkaisu on valittava näiden arvojen joukosta. Eräs tapa tehdä se on tarkistaa, antaako valittu ratkaisu oikei-10 ta arvoja toisen mitattavan suureen osalta vai ei. Lisäksi tämä mitattava suure ei saa olla määräytyä Li:n ja L2:n mukaisesti.YLL [l + BT2) 5 The logarithmic function shown in Equations (19) and (20) is a polyvalent function that results in an infinite number of discrete values of n. The right solution must be chosen among these values. One way to do this is to check whether or not the selected solution gives correct values for another measurand. In addition, this measurand must not be determined by Li and L2.
Määritelmän mukaisesti ryhmäviive on mitta pulssisignaalin kulkuajalle lähetysputken läpi. Aalto-15 paketin kulkuaika on määritelty seuraavasti: x **= —, (21) v, missä x on kulkupituus ja vg on aaltopulssin 20 ryhmänopeus. Tässä tapauksessa τ1=~~' (22) ja ^ OC Lair -L T d (fn\ o 25 *g=—-+ L— — , (23)By definition, group delay is a measure of the pulse signal propagation time through the transmission tube. The propagation time of the wave-15 packet is defined as: x ** = -, (21) v, where x is the propagation length and vg is the group speed of the wave pulse 20. In this case, τ1 = ~~ '(22) and ^ OC Lair -L T d (fn \ o 25 * g = —- + L— -, (23)
c\! c df{c Jc \! c df {c J
COC/O
o ^ missä τ° on ryhmäviive tyhjän putken läpi ja zg on g ryhmäviive sellaisen putken läpi, johon on asetettuo ^ where τ ° is the group delay through the empty tube and zg is the g group delay through the tube
CLCL
L:n pituinen näyte. Vertaamalla laskettua ryhmäviivet-53 30 tä mitattuun ryhmäviiveeseen, LO |τ measured _ ^ calculated | _ q ( 2 4 )L-length sample. By comparing the calculated group delay-53 to the measured group delay, LO | τ measured _ ^ calculated | _ q (2 4)
OO
CMCM
voidaan määrittää oikea taitekerroin n. Toinen suure, 14 jota voidaan käyttää vaihtoehtona ryhmäviiveelle, on ryhmäviive suhteessa tyhjään ilmaputkeen: τ=-{\-n-f—Y (25) df) 5 joka johdetaan vähentämällä yhtälö (23) yhtälöstä (22) .Another variable 14 that can be used as an alternative to group delay is the group delay relative to the empty air tube: τ = - {\ - n-f-Y (25) df) 5, which is derived by subtracting equation (23) from equation (22).
Keksinnön seuraavassa sovellusesimerkissä kuvataan, kuinka erotetaan materiaalin parametrit sr ja 10 μΓ (suhteellinen permittiivisyys ja suhteellinen per-meabiliteetti). Käytännössä kiinnostava tilanne on tapaus, jossa kokeiden suorittajalla jo on joitakin materiaalia koskevia tietoja. Esimerkiksi jos kemiallinen analyysi antaa lisätodisteita siitä, että materi-15 aali ei sisällä magneettisia elementtejä, voidaan olettaa, että μΓ = 1 ja määrittää permittiivisyys yksinkertaisesti yhtälöstä er = n2. Kuten jäljempänä osoitetaan, näin saavutetaan parempi tarkkuus kuin jäljempänä esitettävällä yleisemmällä menetelmällä, 20 joka edellyttää z:n määrittämistä.The following exemplary embodiment of the invention describes how to distinguish the material parameters sr and 10 μΓ (relative permittivity and relative permeability). In practice, an interesting situation is the case where the experimenter already has some information about the material. For example, if chemical analysis provides further evidence that materi-15 does not contain magnetic elements, it can be assumed that μΓ = 1 and simply determine the permittivity from er = n2. As will be shown below, this achieves better accuracy than the more general method described below, which requires the determination of z.
Monissa tilanteissa, erityisesti sellaisten tutkittavien materiaalien osalta, jotka sisältävät magneettisia elementtejä, magneettisia epäpuhtauksia tai magneettisia nanohiukkasia, ei kuitenkaan ole mah-25 dollista tietää etukäteen, millaisia sähkömagneettiset ominaisuudet ovat. Näissä tilanteissa on käytettäväHowever, in many situations, especially with respect to materials under investigation which contain magnetic elements, magnetic impurities, or magnetic nanoparticles, it is not possible to know in advance what the electromagnetic properties are. Use in these situations
CMCM
^ n:n lisäksi suhteellista impedanssia z. Tämä on kek- ^ sinnön magneettisia materiaaleja koskeva lisäsovellus, co o jossa materiaalin ominaisuudet sr ja Pr saadaan seuraa- ^ 30 vasti: x n £ μΓ = n-z j a £r = - , (26) z oö ^ missä 8 1 + Γ ί \ CM Z = T^r 27 15In addition to ^ n, the relative impedance z. This is an additional application for the magnetic materials of the invention, whereby the properties of the materials sr and Pr are given by: xn £ μΓ = nz and £ r = -, (26) z oö ^ where 8 1 + Γ ί \ CM Z = T ^ r 27 15
Taitekerroin Γ määritetään yhtälön (16) perusteella. Mutta tästä yhtälöstä saadaan Γ vain etumerkkiin saakka, koska +Γ ovat kummatkin yhtälön (16) 5 mukaisia. Γ:η oikean etumerkin saamiseksi on palattava yhtälöön (7) tai (8) ja tarkistettava kumpi, +Γ vai -Γ, on yhtälön mukainen. On huomattava, että tämä ei tuota lisävirheitä, koska kyseessä on vain etumerkin tarkistus.The refractive index Γ is determined from equation (16). But this equation gives Γ only up to the sign, since + Γ are both in equation (16) 5. Γ: η To get the correct sign, you need to go back to Equation (7) or (8) and check which, + Γ or -Γ, matches the equation. It should be noted that this does not produce any additional errors as it is only a sign check.
10 Toisin sanoen Γ:η oikean etumerkin saamiseksi ±Γ:η perusteella laskettuja S-parametreja verrataan mitattuihin S-parametreihin. Sitten yhtälöiden (26) ja (27) avulla voidaan suoraan saada kompleksinen sähköinen permittiivisyys ja magneettinen permeabiliteetti 15 edellyttäen, että kompleksinen taitekerroin tunnetaan edellä esitetyn menetelmän perusteella.In other words, to obtain the correct sign Γ: η, the S-parameters calculated on the basis of ± Γ: η are compared with the measured S-parameters. Equations (26) and (27) can then directly obtain complex electrical permittivity and magnetic permeability 15, provided that the complex refractive index is known from the above method.
Huomattakoon, että ilman tällaista tarkistustakin vain vähimmäismäärä tietoa materiaalin ominaisuuksista voi riittää. Oletetaan, että Γ on oikea rat-20 kaisu, joka johtaa oikeaan joukkoon materiaalin parametreja sr ja μΓ. Konformikuvauksen, yhtälön (27), ominaisuudet merkitsevät, että etumerkiltään vastakkainen ratkaisu -Γ vastaa suhteellista impedanssia z’1. Vaikutus lopulliseen tulokseen yhtälössä (26) on yksinker-25 taisesti se, että permittiivisyyden ja permeabilitee-tin arvot vaihdetaan. Monissa käytännön tilanteissa kokenut kokeiden suorittaja voi helposti tunnistaa, kumpi on permittiivisyys ja kumpi permeabiliteetti,It should be noted that even without such verification, only a minimum amount of information on the properties of the material may be sufficient. Assume that Γ is the right rat-20 ripple, which results in the right set of material parameters sr and μΓ. The properties of the conformal mapping, equation (27), mean that the opposite sign -Γ corresponds to the relative impedance z'1. The effect on the final result in equation (26) is simply that the values of permittivity and permeability are changed. In many practical situations, an experienced experimenter can easily identify which is permittivity and which is permeability,
OO
^ kun annetaan kaksi kompleksilukua ja vähimmäismäärä eo o 30 tietoa materiaalin kemiallisesta koostumuksesta.^ when two complex numbers are given with a minimum of 30 information on the chemical composition of the material.
^ Seuraavassa esitetään esimerkki kokeesta, g jossa edellä esitetty menetelmä todennetaan. Tässä Q_ esimerkissä mitataan polytetrafluoneteenin (PTFE) ja ^ polyvinyylikloridin (PVC) sähköinen permittiivisyys S 35 taajuusalueella 2-18 GHz. On kuitenkin huomattava, et- o ° tä vaikka tämä testi suoritetaan rajallisella taajuus- 16 alueella, menetelmä on yleisesti ottaen taajuudesta riippumaton.The following is an example of an experiment in which the above method is verified. In this example, the electrical permittivity S 35 of polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyvinyl chloride (PVC) is measured in the frequency range 2-18 GHz. However, it should be noted that although this test is performed in a limited frequency range, the method is generally frequency independent.
Viitataan kuvioon 4; esillä olevan menetelmän avulla mitataan materiaalien sähkömagneettisia para-5 metrejä mikroaaltotaajuusalueella. 7 mm:n tarkkuusko- aksiaali-ilmaputkea 44 käytetään näytteenpitimenä poikittaisten sähkömagneettisten aaltojen johtamiseksi mittausporttien välillä; näyte 45 voidaan nähdä ilma-putken keskellä. Ryhmäviiveet ja sirontaparametrit mi-10 tattiin vektoripiirianalysaattorin (VNA) 40 avulla.Referring to Figure 4; the present method measures the electromagnetic para-5 meters of materials in the microwave frequency range. A 7 mm precision coaxial air tube 44 is used as a sample holder for conducting transverse electromagnetic waves between the measurement ports; sample 45 can be seen in the middle of the air tube. The group delays and scattering parameters mi-10 were determined using a vector circuit analyzer (VNA) 40.
Ilmaputkilaitteisto kytkettiin VNA-portteihin 41 7 mm:stä 2,92 mm:iin (K)-sovittimilla. Tässä esimerkissä mittauksen taajuusalue rajoittuu 7 mm: n ilmaputken toimintataajuuksiin, eli enintään 18 GHz:iin. Periaat-15 teessä menetelmää voidaan käyttää myös muilla taajuus alueilla edellyttäen, että poikittaiset sähkömagneettiset aallot johtuvat ja etenevät isotrooppisesti mittausporttien välisen alueen läpi kyseisellä taajuusalueella .The air tube equipment was connected to the VNA ports 41 from 7 mm to 2.92 mm (K) adapters. In this example, the measurement frequency range is limited to the operating frequencies of the 7 mm air tube, that is, up to 18 GHz. In principle, the method can also be used in other frequency ranges, provided that transverse electromagnetic waves are propagated and isotropically propagated through the region between the measurement ports in that frequency range.
20 Ennen mittausta suoritettiin 2 portin kalib rointi. Sitten mitattiin tyhjä ilmaputki S°ij:n saamiseksi, minkä perusteella päätellään kalibrointitasojen 42, 43 väliseksi pituudeksi Lair 17,3193 cm. Tämän jälkeen asetettiin pyörähdyskappaleen muotoinen näyte il-25 maputken sisemmän ja ulomman johtimen väliin, ja mittaukset toistettiin.20 Prior to measurement, a 2-port calibration was performed. An empty air tube was then measured to obtain S ° ij, which is used to infer a Lair 17.3193 cm between the calibration levels 42, 43. A specimen in the form of a rotary piece was then inserted between the inner and outer conductors of the il-25 map tube, and the measurements were repeated.
20,00 mm:n PVC- ja 20,00 mm:n PTFE-näytteille suoritetuista mittauksista saadaan kuvioissa 5 ja 6 o ^ havainnollisesti esitetyt kompleksisen permittiivisyy- oo o 30 den spektrit. Havaitaan, että verrattuna Nicolsonin- ^ Rossin-Weirin algoritmiin (NRW) keksinnön mukaisen me- ^ netelmän (RPI) tuloksena saadaan vähemmän virheitä ja vakaat tulokset myös kolmen Fabryn-Perotin resonanssi-taajuuden tienoilla edellä mainitulla taajuusalueella.Measurements for 20.00 mm PVC and 20.00 mm PTFE samples give the complex permittivity spectra illustrated in Figures 5 and 6. It will be appreciated that, compared to the Nicolson-Ross-Weir algorithm (NRW), the method of the invention (RPI) results in fewer errors and stable results also around the three Fabryn-Perot resonance frequencies in the aforementioned frequency range.
LOLO
g 35 Tämä on käytännön osoitus sitä, että esillä olevalla ^ menetelmällä saadaan merkittävästi vähemmän virheitä 17 kuin NRW-algoritmilla, kun sitä käytetään ei-magneettisten materiaalien karakterisointiin.g 35 This is a practical demonstration that the present method produces significantly fewer errors 17 than the NRW algorithm when used to characterize non-magnetic materials.
Numeerinen analyysi ja kokeet osoittavat, että keksinnön mukaisen menetelmän epävarmuudet ovat 5 suhteellisen pieniä suuremmilla taajuuksilla. Tämä ominaispiirre on läpäisy/heijastusmenetelmän sisäinen ominaisuus, koska merkittävä muutos S-parametrin vaiheessa materiaalin läsnäolon vuoksi edellyttää, että näytteen pituuden on oltava tiettyä kokoa suurempi 10 verrattuna signaalin aallonpituuteen.Numerical analysis and experiments show that the uncertainties of the method of the invention are relatively small at higher frequencies. This characteristic is an intrinsic property of the transmission / reflection method because a significant change in the S parameter step due to the presence of the material requires that the sample length be greater than a certain size 10 relative to the signal wavelength.
Esillä oleva algoritmi toteutetaan edullisesti tietokoneohjelmana, joka voidaan suorittaa sopivassa käsittelylaitteessa. Käsittelylaite voi olla mikro-suoritin, joka on edullisesti toteutettu vektoripii-15 rianalysaattorissa.The present algorithm is preferably implemented as a computer program that can be executed on a suitable processing device. The processing device may be a microprocessor, preferably implemented in a vector silicon analyzer.
Lisäksi algoritmi on todennettu kokeellisesti useiden materiaalien osalta. Se voidaan integroida saumattomasti mihin tahansa markkinoilla olevaan vek-toripiirianalysaattoriin.In addition, the algorithm has been experimentally verified for several materials. It can be seamlessly integrated with any vector circuit analyzer on the market.
20 Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tek niikan edistyessä keksinnön perusidea voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintöä ja sen sovelluksia ei siten ole rajoitettu edellä kuvattuihin esimerkkeihin; sen sijaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten 25 määrittelemän suojapiirin puitteissa.It will be obvious to a person skilled in the art that as technology advances, the basic idea of the invention can be implemented in many different ways. The invention and its applications are thus not limited to the examples described above; instead, they may vary within the scope defined by claims 25.
CVICVI
oo
(M(M
COC/O
oo
XX
cccc
CLCL
0000
LOLO
O) o oO) o o
(M(M
Claims (15)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FI20095811A FI122901B (en) | 2009-07-27 | 2009-07-27 | Method, measurement apparatus and computer program product for measuring the electromagnetic properties of materials |
PCT/FI2010/050591 WO2011012767A1 (en) | 2009-07-27 | 2010-07-09 | Broadband reference-plane invariant method and algorithm for measuring electromagnetic parameters of materials |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FI20095811A FI122901B (en) | 2009-07-27 | 2009-07-27 | Method, measurement apparatus and computer program product for measuring the electromagnetic properties of materials |
FI20095811 | 2009-07-27 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
FI20095811A0 FI20095811A0 (en) | 2009-07-27 |
FI20095811A FI20095811A (en) | 2011-01-28 |
FI122901B true FI122901B (en) | 2012-08-31 |
Family
ID=40935888
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
FI20095811A FI122901B (en) | 2009-07-27 | 2009-07-27 | Method, measurement apparatus and computer program product for measuring the electromagnetic properties of materials |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
FI (1) | FI122901B (en) |
WO (1) | WO2011012767A1 (en) |
Families Citing this family (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104111378A (en) * | 2013-04-19 | 2014-10-22 | 电子科技大学 | Microwave material electromagnetic parameter and shielding performance slab line test method |
CN104330643A (en) * | 2014-11-18 | 2015-02-04 | 上海市计量测试技术研究院 | Improved transmission/reflection method for measuring electromagnetic parameters of material |
CN106841821A (en) * | 2017-04-11 | 2017-06-13 | 南京信息工程大学 | A kind of film covers sea effective dielectric constant computational methods |
CN109164304B (en) * | 2018-09-19 | 2020-10-23 | 天津大学 | Method for testing and extracting terahertz complex dielectric constant of biological macromolecular material |
FR3087269B1 (en) * | 2018-10-10 | 2020-10-09 | Commissariat Energie Atomique | METHOD AND DEVICE FOR CHARACTERIZING THE SURFACE OF AN OBJECT |
CN110534166A (en) * | 2019-08-30 | 2019-12-03 | 哈尔滨工业大学 | The method for removing Fabry-Perot puppet resonance backstepping composite material electromagnetic parameter |
CN111060539A (en) * | 2019-12-25 | 2020-04-24 | 浙江大学 | Device and method for testing electromagnetic wave reflectivity of flat plate material in freeze-thaw cycle |
JPWO2022085441A1 (en) * | 2020-10-23 | 2022-04-28 | ||
RU2758390C1 (en) * | 2020-12-29 | 2021-10-28 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Method for determining the electrophysical parameters of dielectric and magnetodielectric coatings with frequency dispersion in the microwave range |
CN114487618B (en) * | 2022-01-27 | 2022-08-23 | 北京航空航天大学 | Composite material low-frequency electromagnetic parameter equivalent extraction device and method |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0221837A (en) * | 1988-07-12 | 1990-01-24 | Olympus Optical Co Ltd | Flexible tube for endoscope |
-
2009
- 2009-07-27 FI FI20095811A patent/FI122901B/en not_active IP Right Cessation
-
2010
- 2010-07-09 WO PCT/FI2010/050591 patent/WO2011012767A1/en active Application Filing
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2011012767A1 (en) | 2011-02-03 |
FI20095811A (en) | 2011-01-28 |
FI20095811A0 (en) | 2009-07-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
FI122901B (en) | Method, measurement apparatus and computer program product for measuring the electromagnetic properties of materials | |
Chalapat et al. | Wideband reference-plane invariant method for measuring electromagnetic parameters of materials | |
CN107490727B (en) | A kind of dielectric constant measurement method of composite microwave sensor and measured object | |
Hasar et al. | Determination of reference-plane invariant, thickness-independent, and broadband constitutive parameters of thin materials | |
CN109669075B (en) | Dielectric complex dielectric constant nondestructive reflection measurement method based on open rectangular waveguide | |
CN106093810B (en) | Method for testing electromagnetic parameters of material and method for solving multivalue problem in electromagnetic parameter testing of material | |
Hasar et al. | A microwave method based on amplitude-only reflection measurements for permittivity determination of low-loss materials | |
Haq et al. | Inverse modeling and optimization of CSRR-based microwave sensors for industrial applications | |
Hasar | Unique permittivity determination of low-loss dielectric materials from transmission measurements at microwave frequencies | |
Hasar et al. | Attractive method for thickness-independent permittivity measurements of solid dielectric materials | |
Mironov et al. | Method of retrieving permittivity from S 12 element of the waveguide scattering matrix | |
CN103149449A (en) | Single-port coaxial line complex permittivity measuring device and method based on mode matching | |
Kato et al. | New uncertainty analysis for permittivity measurements using the transmission/reflection method | |
Shibata | S 11 Calibration Method for a Coaxial-loaded Cut-off Circular Waveguide using SOM Termination | |
Hasar et al. | Permittivity extraction of soil samples using coaxial-line measurements by a simple calibration | |
Hasar et al. | Reference-plane invariant transmission-reflection method for measurement of constitutive parameters of liquid materials | |
Drobakhin et al. | OPEN†ENDED WAVEGUIDE CUTOFF RESONATORS FOR MONITORING DIELECTRICS PARAMETERS OF GASES | |
Hasar et al. | Electromagnetic characterization of thin dielectric materials from amplitude-only measurements | |
Mironov et al. | A technique for measuring the frequency spectrum of the complex permittivity of soil | |
You et al. | Non-destructive dielectric measurements and calibration for thin materials using waveguide-coaxial adaptors | |
Shibata et al. | Property Measurement Errors Based on Application of an Estimation Equation Using the Coaxial Probe Method | |
Hasar | Determination of full S-parameters of a low-loss two-port device from uncalibrated measurements | |
Pérez Cesaretti | General effective medium model for the complex permittivity extraction with an open-ended coaxial probe in presence of a multilayer material under test | |
NO20140185A1 (en) | System and method for multiphase flow measurements | |
Kalisiak et al. | Broadband permittivity measurement of liquids in a semi-open coaxial test cell with meniscus-effect removal |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC | Transfer of assignment of patent |
Owner name: AALTO-KORKEAKOULUSAEAETIOE Free format text: AALTO-KORKEAKOULUSAEAETIOE |
|
FG | Patent granted |
Ref document number: 122901 Country of ref document: FI Kind code of ref document: B |
|
MM | Patent lapsed |