Изменение параметров материалов в СВЧ-диапазоне с помощью ПО для анализа параметров материалов Keysight N1500A

Измерение диэлектрических свойств материалов предоставляет информацию о параметрах, являющихся критическими при проектировании во многих приложениях электроники. Например, потери в изоляции кабеля, импеданс подложки или частота диэлектрического резонатора могут зависеть от их диэлектрических свойств.

Эта информация полезна и для улучшения свойств ферритов, поглотителей, а также схем компоновки. Знание диэлектрических свойств материалов дает преимущества в более современных приложениях из области промышленной микроволновой обработки продуктов питания, резины, пластика и керамики.

Измерение ε_r и µ_r в широком частотном диапазоне

Программное обеспечение для измерения свойств материалов N1500A компании Keysight Technologies позволяет определить электромагнитные свойства множества диэлектрических и магнитных материалов. Полная измерительная система построена на базе универсального анализатора цепей компании Keysight, который измеряет отклик материала на энергию РЧ- или СВЧ-сигнала.

Программное обеспечение N1500A управляет анализатором цепей и вычисляет комплексную диэлектрическую проницаемость ε_r (или диэлектрическую постоянную) и магнитную проницаемость μ_r, включая коэффициент потерь или тангенс угла потерь. Результаты отображаются как функция частоты с погрешностью от 1 до 2% (тип.). В зависимости от применяемого анализатора цепей компании Keysight и устройства подключения диапазон частот может быть расширен в область миллиметровых и субмиллиметровых длин волн (рис. 1).

Рис. 1. Исследование свойств материалов в РЧ и СВЧ частотном спектре

Отображение данных в различных форматах

Разделение окна на экране и маркеры помогают при анализе данных. Простой щелчок мышью на элементе диаграммы или таблицы позволяет активировать и перемещать маркер. Диаграммы могут генерироваться во множестве форматов: ε_r′, ε_r″, tanδ, μ_r′, μ_r″, tanδ_m и в виде диаграммы Коул-Коула (рис. 2).

Рис. 2. Представление данных в форме диаграмм, таблиц или одновременно в двух форматах. Расширенные возможности по математической обработке и отображению результатов на графиках

Взаимодействие с другими программами

Диаграммы и таблицы данных могут быть легко скопированы в буфер обмена и вставлены в приложение на базе ОС Windows для дальнейшего анализа или генерации отчета. Программа способна и сама сгенерировать отчет в формате PDF, включающий все данные в табличном и графическом виде, а также информацию об условиях, при которых проводились измерения.

Интерфейс компонентной модели объектов (COM) позволяет настраивать, запускать и считывать измерение из программы, написанной пользователем. Это чрезвычайно важно для анализа изменений свойств материала во времени. Примеры программных проектов на языках Visual Basic и C++ включены в комплект поставки, что помогает при разработке собственных программ.

Методы измерений

Метод линии передачи

В качестве держателя образца используется коаксиальная воздушная линия или волноводная линия передачи (рис. 3). Наилучшим образом метод линии передачи работает для материалов, которые могут быть точно обработаны для размещения внутри держателя образца. ПО N1500A содержит алгоритм, выполняющий коррекцию влияния воздушного зазора между образцом и держателем, что существенно уменьшает основную долю погрешности при использовании метода линии передачи.

Рис. 3. Воздушная коаксиальная линия или волноводная линия передачи выполняет роль держателя образца испытуемого материала

Методы с использованием линии передачи включают размещение материала внутри части закрытой линии передачи. Обычно линия передачи является отрезком прямо-угольного волновода или воздушной коаксиальной линии, ε_r и μ_r вычисляются из результатов измерений отраженного сигнала (S11) и прошедшего сигнала (S21).

Допущения о свойствах материала:

• образец заполняет сечение устройства подключения;
• отсутствие воздушных зазоров на стенках устройства подключения;
• гладкие и плоские поверхности, расположение перпендикулярно продольной оси;
• однородность.

Свойства метода:

• широкополосность — нижнее значение ограничено практической длиной образца;
• ограниченное разрешение при низких потерях (зависит от длины образца);
• измерение магнитных материалов;
• возможность измерения анизотропных материалов в волноводе.

Коаксиальные линии передачи перекрывают широкий диапазон частот, но изготовление образцов тороидальной формы является более сложным. Волноводная испытательная оснастка простирается до частот миллиметрового диапазона, а обработка образцов упрощается, но перекрываемый ими диапазон частот ограничен. Типичная измерительная система, использующая метод линии передачи, состоит из векторного анализатора цепей, воздушной коаксиальной линии или волноводной секции, программного обеспечения, например N1500A, для выполнения преобразования в ε_r и μ_r и внешнего компьютера. В случае применения анализаторов цепей серии ENA, PNA программное обеспечение может быть установлено на анализатор цепей, что позволяет обойтись без дополнительного компьютера.

Воздушная линия с волновым сопротивлением 50 Ом из поверочных комплектов производства компании Keysight является рекомендуемым коаксиальным держателем образца. Каждый волноводный калибровочный комплект в семействе 11644A содержит прецизионную волноводную секцию, рекомендуемую в качестве волноводного устройства подключения.

Тангенс угла потерь принимает меньшие значения в случае, когда влияние держателя исключено посредством калибровки и является более постоянным с изменением частоты. Это следствие того, что потери в волноводе более не добавляются к потерям в образце. При помощи анализатора цепей серии ENA, PNA, помимо калибровки в плоскости КВП, возможно осуществить исключение влияния держателя образца.

Состав измерительного стенда и принадлежности

Ядром измерительной системы является анализатор цепей серии PNA с установленным на нем ПО для измерения свойств материалов N1500A Materials Measurement Suite. Измерительная ячейка состоит из двух КВП из состава волноводного калибровочного комплекта и четвертьволновой вставки, которая используется при калибровке, а также является волноводным устройством подключения. В данной работе был использован комплект X11644A (диапазон рабочих частот — 8,2–12,4 ГГц). КВП подключаются к анализатору цепей при помощи фазостабильных кабелей и соответствующих коаксиальных адаптеров. Согласованная фиксированная нагрузка и короткозамыкающая пластина из состава X11644A применяются для полной двухпортовой калибровки системы. Для затяжки соединителей предусмотрены соответствующие тарировочные ключи. Управление ВАЦ осуществляется при помощи клавиатуры и мыши или сенсорного экрана ВАЦ. На рис. 4 показана система в сборе.

Рис. 4. Система для измерений параметров материалов методом линии передачи

Метод свободного пространства

В методе свободного пространства (рис. 5а, б) материалы размещаются между антеннами для бесконтактных измерений. Метод свободного пространства лучше всего работает для больших плоских сплошных материалов, но свойства гранулированных и порошкообразных материалов также могут быть измерены с использованием устройства подключения. Это очень важно для множества приложений, таких как неразрушающий контроль, измерение свойств материалов, которые должны быть нагреты до очень высоких температур, или для измерений больших площадей неоднородных материалов — например, сотовых или композитных материалов.

Рис. 5.
а) Антенны направляют пучки СВЧ-энергии на/сквозь материал без его заключения в устройство подключения;
б) установка для измерений в свободном пространстве

Допущения о свойствах материала:

• большие, плоские образцы с параллельными сторонами;
• однородность.

Свойства метода:

• бесконтактный, неразрушающий;
• высокочастотный — нижнее значение ограничено практической длиной образца;
• пригоден при высоких температурах;
• возможно изменение поляризации антенны для измерения свойств анизотропных материалов;
• возможность измерений магнитных материалов.

Методы измерений в свободном пространстве используют антенны для фокусировки энергии СВЧ-излучения в или сквозь слой материала без участия устройств подключения.

Этот метод является бесконтактным и может применяться для материалов, которые необходимо испытывать при высоких температурах и в неблагоприятных условиях окружающей среды. На рис. 6 показана типичная установка для проведения измерений в свободном пространстве. Измерительная система, использующая метод свободного пространства, состоит из векторного анализатора цепей, устройства подключения (антенны, тоннели, арки и т. д.), программного обеспечения (например, N1500A) и компьютера (не нужен, если используется анализатор цепей семейства ENA, PNA).

Рис. 6. Пример установки для проведения измерений в свободном пространстве

Калибровка в свободном пространстве

Для измерений в свободном пространстве существует специальная методика калибровки. Стандартные методики, такие как TRL (Thru-Reflect-Line — перемычка-отражение-линия) или TRM (Thru-Reflect-Match — перемычка-отражение-согласованная нагрузка), фактически могут оказаться неприменимы в случае свободного пространства. В первом случае (TRL) возникает вопрос точного смещения антены на четверть длины волны и возврата в исходное положение. В миллиметровом диапазоне длин волн позиционеры, способные точно смещать на четверть волны, могут оказаться одним из самых дорогих компонентов в системе измерения параметров материалов. В случае калибровки TRM возникает проблема поиска радиопоглощающего материала, выступающего в роли нагрузки, чьи параметры заранее известны с высокой точностью в широком диапазоне частот.

Программное обеспечение N1500A предлагает специальную методику калибровки в свободном пространстве — GRL (Gated Reflect Line — стробированная линия отражения). Эта методика позволяет провести точную калибровку без дополнительных затрат. Метод калибровки GRL преобразует 2‑портовую калибровку измерений с помощью коаксиальной линии или волновода в полную 2‑портовую калибровку в свободном пространстве. Для применения данной опции требуется анализатор цепей серии ENA, PNA с опцией измерений во временной области, подходящим устройством подключения для испытаний в свободном пространстве и металлической калибровочной пластиной. Эта опция также предусматривает стробированную калибровку изоляции/отклика, уменьшающую погрешности измерения из-за дифракционных эффектов на границах образца и множественных остаточных отражений между антеннами.

В свободном пространстве легко осуществить высокотемпературные измерения, поскольку метод является бесконтактным. Образец может нагреваться при помещении в печь, имеющую окна из изоляционного материала, который прозрачен для СВЧ-излучения (рис. 7).

Рис. 7. Схема проведения высокотемпературных измерений в свободном пространстве

Состав измерительного стенда и принадлежности

Ядром измерительной системы является анализатор цепей серии PNA с установленным на нем ПО для измерения свойств материалов N1500A Materials Measurement Suite. Измерительная ячейка состоит из двух рупорных антенн, системы позиционирования антенн и установки исследуемого образца. Антенны подключаются к анализатору цепей при помощи фазостабильных кабелей. Для коаксиальной калибровки используется модуль электронной калибровки ECal. Для затяжки соединителей — соответствующие тарировочные ключи. Для проведения GRL-калибровки имеется металлическая пластина. Управление ВАЦ осуществляется при помощи клавиатуры и мыши или сенсорного экрана ВАЦ. На рис. 8 показана система в сборе.

Рис. 8. Система для измерений параметров материалов в свободном пространстве

Точные измерения в свободном пространстве теперь возможны без дорогостоящих антенн с фокусировкой в точку, микропозиционирования или прямого доступа к приемнику. ПО автоматически устанавливает все определения калибровки в свободном пространстве и параметры анализатора цепей, сберегая время разработки. В анализаторах серии PNA обеспечивается дополнительная простота и экономия времени благодаря применению модулей электронной калибровки ECal, которые включают мастер, направляющий пользователя по шагам быстрого и простого процесса калибровки.

Математические модели

N1500A предусматривает выбор из восьми различных алгоритмов, каждый из которых имеет свои особые преимущества. Традиционный метод, описанный Никол-соном и Россом, наилучшим образом подходит для магнитных материалов, таких как ферриты и поглотители. Метод вычисляет ε_r и μ_r (включая потери) по результатам двухпортовых измерений одного образца, позволяя быстро и просто получить результат.

N1500A также содержит два дополнительных двухпортовых алгоритма для немагнитных материалов (μ_r = 1), которые являются наилучшими для материалов с большой длиной и низкими потерями. Эта модель избавлена от такого недостатка, как отсутствие непрерывности частот, когда длина образца должна составлять несколько полуволн.

В то время как двухпортовые алгоритмы отлично подходят для большинства сплошных материалов, однопортовые алгоритмы обеспечивают простоту калибровки и измерений и могут оказаться более полезными для измерений свойств жидкостей и порошков. Например, закороченный волновод можно загнуть на конце и заполнить материалом для однопортовых измерений. Однопортовые устройства подключения также лучше всего подходят для высокотемпературных измерений, в этом случае один конец устройства подключения нагревается, а механизм охлаждения на другом конце защищает анализатор цепей.

Несмотря на то что обычно однопортовые устройства подключения имеют оконечную короткозамкнутую нагрузку, N1500A также обеспечивает произвольную оконечную нагрузку, что дает возможность получать более надежные результаты для тонких образцов.

Новая функция: смещение опорной плоскости

Смещение опорной плоскости позволяет образцу иметь диэлектрическую подложку (рис. 9). Функция математически устраняет влияние подложки таким образом, что только электромагнитные свойства образца являются результатом измерения. Это полезно в случаях, когда материал недостаточно плотный или толстый, чтобы удерживаться самостоятельно, или он не может быть убран с подложки. Диэлектрическая проницаемость и толщина подложки должны быть известны. Если диэлектрическая проницаемость подложки не известна, то она может быть измерена отдельно в первую очередь. Материал подложки не может быть магнитным и должен пропускать СВЧ-сигнал, чтобы измерить S21 и S12.

Рис. 9. Пример пользовательского интерфейса смещения опорной плоскости для образца, имеющего подложку со стороны порта 2

Дополнительные методы измерений

Метод арки NRL в свободном пространстве

Измерительный метод арки NRL (Naval Research Laboratory) был впервые разработан научно-исследовательской лабораторией военно-морских сил США и является полезным подходом к испытанию характеристик поглощения материала, зависящих от угла. Типовая измерительная установка содержит анализатор цепей, подключенный к двум рупорным антеннам, которые закреплены на дугообразной арке (каркасе) выше (или ниже) плоского участка испытуемого материала. Одна антенна работает в качестве передающей, в то время как вторая принимает отраженный сигнал для проведения однопортовых измерений. Образец должен находиться в «дальнем поле» (рис. 10).

Рис. 10. В методе арки NRL одна антенна передает энергию на поверхность испытуемого материала, а вторая принимает отраженную часть

Опция 002 предоставляет отдельную программу, которая автоматизирует измерения методом арки NRL. Программа направляет пользователя в процессе настройки, калибровки и измерения поглощения материала. Измерения представляются и в графической, и в табличной форме, при этом возможно одновременное отображение до четырех результатов измерений для сравнения. ПО включает маркеры, помогающие при анализе результатов измерений. Можно сохранить и вызвать полный набор результатов измерений и установок. Кроме того, данные могут быть сохранены в файле, имеющем формат, совместимый с электронной таблицей, или скопированы в другие приложения для последующего анализа.

ПО для автоматизации измерений методом арки NRL компании Keysight делает возможной немедленную модернизацию системы арочных измерений до самых современных измерительных методик и аппаратного обеспечения.

Метод объемного резонатора

Для измерения свойств тонких пленок, подложек и других материалов с низкими потерями следует выбирать метод объемного резонатора. Метод объемного резонатора использует анализатор цепей для измерения резонансной частоты и добротности резонатора, предусмотренного в качестве устройства подключения, сначала пустого, а затем нагруженного испытуемым образцом (рис. 11). Эти измерения позволяют вычислить диэлектрическую проницаемость, если известен объем образца и некоторые другие параметры объемного резонатора. Поскольку данный метод является резонансным, то измеряется всего лишь одна частотная точка. Однако сам метод гораздо более чувствительный и имеет лучшее разрешение, чем другие подходы. Типичное значение разрешения для него составляет 10^–4, в то время как широкополосные методы реализуют разрешение 10^–2.

Рис. 11. Объемный резонатор, подключенный между портами анализатора цепей

Программная опция 003 для измерений методом объемного резонатора компании Keysight управляет векторным анализатором цепей для измерений резонансной частоты нагруженного и ненагруженного объемного резонатора. Аппроксимация окружности методом наименьших квадратов используется для измерений добротности (Q), которые применяют информацию об амплитуде и фазе и имеют более высокую повторяемость по сравнению с другими методами вычисления добротности. Затем ПО вычисляет ε_r′, ε_r″ и тангенс угла потерь, а потом отображает эти значения в простом для применения интерфейсе.

ПО для измерений методом объемного резонатора имеет интерфейс приложения COM (предоставляющий пользователю возможность легко автоматизировать измерения) и поддерживает объемные ди-электрические высококачественные резонаторы SPDR компании QWED, доступные в частотном диапазоне 1–20 ГГц. А кроме того, поддерживает резонаторы стандарта ASTM D2520 и цилиндрический разделенный на две части резонатор 85072A компании Keysight.