Calibrateable microwave and millimeter wave measurement techniques for contactless and nondestructive material characterizations
Final Report Abstract
Die Ziele dieser Arbeit lassen sich in zwei Bereiche unterteilen. Ein Ziel war es, ein Verfahren zu entwickeln, welches auf Basis von Reflexionsmessungen die Bestimmung aller komplexen Streuparameter eines Zweitores ermöglicht. Dies ist mit dem Doppeltransmissionsmessverfahren gelungen. Basierend auf dem 3-Term Verfahren werden drei Reflexionstandards hinter dem zu vermessenden Objekt angebracht. Auf diese Weise ist es möglich, die, über die Messung miteinander kombinierten Reflexions- und Transmissionseigenschaften des Messobjektes voneinander zu trennen. Ist das Messobjekt reziprok können somit alle Streuparameter bestimmt werden. Die Funktionalität dieses Verfahrens konnte in Simulationen und Messungen nachgewiesen werden. Ein wichtiger Punkt bei diesem Konzept ist die Anwendbarkeit bei Freiraum Messszenarien. In den meisten Fällen werden für die Freiraummaterialcharakterisierung quasi-optische Messsysteme genutzt. Diese fokussieren die elektromagnetischen Wellen auf eine Probe. Somit wird näherungsweise ein Gauß-Strahl erzeugt, der im Fokuspunkt als ebene Welle betrachtet werden kann. Dies ist eine notwendige Voraussetzung für die bekannten Auswertealgorithmen. Um in solch einem Messszenario Doppeltransmissionsmessungen durchführen zu können, muss der Reflektor so ausgelegt werden, dass er die einfallenden Strahlen auf die Probe zurück fokussiert. Hier konnte im Rahmen dieses Projektes das Prinzip der Fresnelzonenplatte adaptiert und für die vorliegende Anwendung optimiert werden. Für dieses Konzept spricht vor allem die einfache Realisierung und der platzoptimierte Aufbau. Dies unterstreicht die Nutzbarkeit des Verfahrens in komplexen Messszenarien. Das zweite wesentliche Ziel dieses Projektes beinhaltet die Adaption der synthetischen Kalibrierstandards auf die Reflexionsmessung. Hierzu wurde das Konzept des synthetischen Kurzschlusses entwickelt. Basierend auf dem Sliding-Short-Verfahren werden drei, oder mehr, Kalibrierstandards durch eine Änderung der elektrischen Länge generiert. Es konnte gezeigt werden, dass auf diese Weise die Anzahl der Messungen reduziert werden kann. Durch die synthetisch generierten Kalibrierdaten ist es möglich, auf mechanische Änderungen am Messaufbau vollständig zu verzichten. Daher liegt die Anwendung dieses Verfahrens primär in komplexen Messszenarien, bei denen es schwer möglich ist, den Aufbau zu verändern. Des Weiteren können die, bei Kalibrierstandards mit mechanischen Längenänderungen immer auftretenden, Mehrdeutigkeiten, vermieden werden. Dies steigert die nutzbare Messbandbreite. Im Rahmen des Projektes konnte das Verfahren der synthetischen Kalibrierstandards für die Reflektometerkalibrierung in Simulation und Messung verifiziert werden. Es wurde nachgewiesen, dass dieses neue Verfahren nutzbare Ergebnisse liefert. Weiterer Forschungsbedarf liegt hier in der Systembeschreibung. Wäre es möglich die Frequenzabhängigkeit der Messinstrumente sinnvoll in die bestehende Beschreibung von Kalibrierszenarien zu integrieren, könnten die Vorteile der synthetischen Kalibrierverfahren noch besser ausgenutzt werden.
Publications
- ’Reflection based Measurement Method for the Reconstruction of the Transmission Properties applied on Free Space Material Characterization’. 35th AMTA Symposium, Columbus Ohio, October 6-11 2013, 4 pages
Marc Zimmermanns, Bianca Will, Ilona Rolfes
- ’Synthetische Kalibrierstandards für die Reflektometerkalibrierung’. Kleinheubacher Tagung 2013, U.R.S.I. Landesausschuss in der Bundesrepublik Deutschland e.V., Miltenberg, Germany, Sep 23-25, 2013
Marc Zimmermanns, Bianca Will, Ilona Rolfes
- ’A Multi-Frequency Approach on Reflectometer Calibration Techniques’. German Microwave Conference (GeMIC), 2014 Germany, 4 pages
Zimmermanns, Marc ; Will, Bianca ; Rolfes, llona
- ’Charakterisierung eines fokussierenden Freiraummessplatzes für Doppeltransmissionsmessungen unter Verwendung eines Fresnelzonenplattenreflektors bei 24 GHz’. Kleinheubacher Tagung 2014, U.R.S.I. Landesausschuss in der Bundesrepublik Deutschland e.V., Miltenberg, Germany, Sep 29-Okt 01, 2014
Marc Zimmermanns, Bianca Will, Ilona Rolfes
