Viene descritto un sistema di misura ad onde millimetriche non distruttivo in spazio libero che consente di caratterizzare i parametri intrinseci di un materiale, come la permittività e la permeabilità.

Un analizzatore di reti vettoriale (VNA) compatto che lavora in banda E, abbinato ad un'innovativa antenna a risonatore dielettrico di piccole dimensioni, permette di misurare i parametri S dopo avere effettuato una calibrazione con il metodo TRL (Through, Reflect, Match).

Il contesto in cui è stato sviluppato questo progetto è la realizzazione di un prototipo che ha coinvolto l'Istituto Fraunhofer FHR, che ha progettato l'antenna a risuonatore dielettrico e la meccanica, l'Istituto IHF della RWTH Aachen University, che ha sviluppato il metodo per l'estrazione delle proprietà dei materiali, e Anritsu, che ha fornito un analizzatore di reti a onde millimetriche di nuova generazione.

Introduzione

La determinazione delle proprietà intrinseche dei materiali alla frequenza delle microonde è importante per una grande varietà di applicazioni, che spaziano dai metodi di test non distruttivi alla progettazione di antenne e circuiti elettronici per rilevamento remoto, fino alle riduzione delle interferenze elettromagnetiche. 

L’utilizzo di configurazione di prova in spazio libero per effettuare tali misurazioni ha ottenuto popolarità e diffusione grazie alla facilità di utilizzo e alla ragionevole accuratezza che si può ottenere.

I metodi in spazio libero hanno un netto vantaggio rispetto ad altri metodi di trasmissione a guida d’onda, poiché non vi è alcuna interfaccia tra il campione di materiale ed una parete di guida. È anche possibile ottenere misure "quasi in parallelo" delle proprietà elettriche e magnetiche del materiale, analizzando i risultati di una normale misura a 2 porte dei parametri S.

Inoltre, questo tipo di configurazione di misura ha la capacità di gestire materiali compositi disomogenei (es. nucleo a nido d'ape) o meta-materiali. Diventa quindi molto facile caratterizzare campioni di materiali in ambienti di produzione o effettuare verifiche di accettazione dei materiali in ingresso.

Fig. 1 -  (sinistra) Larghezza del fascio gaussiano w (z) in funzione della distanza z lungo il fascio; w0 = fascio gaussiano; Ɵ = apertura angolare totale; (destra) Profilo di intensità trasversale di un fascio gaussiano che mostra l'ampiezza del campo elettrico o magnetico rispetto alla posizione radiale dall'asse del fascio.

La figura 1 mostra lo schema di un classico sistema di misura a microonde in spazio libero che utilizza un analizzatore VNA, in cui un campione di materiale solido omogeneo è collocato tra una coppia di antenne a tromba corrugate con messa a fuoco spot, producendo un fascio gaussiano che viene quindi focalizzato attraverso una lente di fronte alle antenne.

La tecnica di misura nello spazio libero può essere ulteriormente categorizzata in diverse modalità: riflessione-trasmissione, solo riflessione e solo trasmissione, a seconda dell'impostazione sperimentale.

Stimare le proprietà dielettriche in base ai dati di riflessione presenta potenziali difficoltà alle frequenze d’onda millimetriche. Ad esempio, è necessario gestire le più riflessioni che si verificano al confine tra gli strati nei sistemi multistrato, e le condizioni della superficie del materiale diventano cruciali per la riflessione delle onde alle alte frequenze. Tali difficoltà possono essere evitate utilizzando il coefficiente di trasmissione per la stima delle proprietà dielettriche.

Tuttavia, l'uso di coefficienti di trasmissione non può determinare in modo univoco la permittività complessa di materiali da costruzione che abbiano perdita o bassa perdita, come il calcestruzzo. Per tali materiali è necessaria una metodologia perfezionata, che contenga una procedura di stima per la parte reale della permittività complessa, insieme ad una procedura di ricerca degli zeri con errore di stima minimo nei coefficienti di trasmissione.

Alla base del concetto qui discusso vi è l'utilizzo di una tecnologia di antenna alternativa, con guadagno elevato e a banda larga, lobi laterali bassi e buon match transitorio, che rappresenta una soluzione quasi ottimale per applicazioni con onde millimetriche.

Viene utilizzata un'antenna basata su lenti a risonatore dielettrico (DRA) che offre una serie di vantaggi, tra cui dimensioni più ridotte rispetto alle antenne convenzionali, per un fattore pari alla radice quadrata della costante dielettrica del materiale, elevata efficienza di radiazione (superiore al 95%), dovuta all'assenza di perdite del conduttore o delle onde di superficie, aumento della larghezza di banda e basso costo.

Fig. 2 -  Antenna con lenate a risonatore dielettrico (DRA) che mostra la propagazione del fascio all'interno dell'antennaL'antenna è realizzata come il corpo massiccio di una lente, che viene alimentata da una guida d'onda direttamente nella lente dielettrica (Fig.2). Un approccio standard per trasformare il fronte di fase sferico dell'elemento di alimentazione in fronti di fasi piane produce un ellissoide alimentato da un punto focale dell'ellissoide stesso. Per alimentare l'antenna, viene utilizzata una guida d'onda WR-12 con un trasformatore di impedenza a quarto d'onda.

L'onda elettromagnetica si propaga dal punto di alimentazione alla superficie esterna dell'ellissoide, da cui una parte viene riflessa all'interno e arriva dopo una seconda riflessione interna al punto di alimentazione. L'altra parte viene invece rifratta lasciando l'ellissoide e creando un fronte d'onda ortogonale all'asse semi-minore dell'ellisse. La somma di tutti questi raggi produce un fronte d'onda planare verso il materiale sotto test.

Poiché il rapporto con la lunghezza del raggio è dato dai valori di progettazione della lente e dalle proprietà del materiale, la lunghezza viene scalata proporzionalmente al diametro, il che rende questa antenna particolarmente adatta ad applicazioni ad alto guadagno, specialmente alle onde millimetriche.

Analizzatore di reti vettoriale in banda E

Un altro elemento tecnologico innovativo utilizzato in questo sistema di misura è l'analizzatore di reti vettoriale Anritsu MS46522B con opzione 82, un VNA economicamente conveniente e funzionante in banda E per applicazioni a 55-92 GHz (Fig. 4).

Fig. 3 - Riflettometro basato su linea di trasmissione non lineare: Anritsu ME7838A/E/D

Per la caratterizzazione dell'antenna e le misure sui materiali, questo tipo di VNA si rivela molto adatto nelle applicazioni industriali in cui la facilità d'uso, la gestione robusta e l'interfacciamento sono requisiti fondamentali.

Il VNA in banda E-band è costituito da piccoli moduli sorgente/ricevitore collegati a un'unità base. I moduli sono collegati all'unità base tramite cavi della lunghezza di un metro che sono permanentemente connessi all'unità, rendendolo uno strumento in banda E compatto e pronto per l'uso.

È disponibile un'altra versione cablata con cavi da 5 metri, per applicazioni che prevedono l'utilizzo di sonde di campo vicino. I moduli remoti di dimensioni compatte (6 × 10 × 4 cm) dispongono di interfacce native per guida d'onda WR12, mentre l'unità base è un formato da rack con altezza 3U alto e utilizza la stessa interfaccia grafica, software, sintassi dei comandi, driver e ambienti di programmazione del resto della famiglia di analizzatori di reti Anritsu ShockLine.

Linee di trasmissione in tecnologia non lineare

La perdita di inserzione e la stabilità di fase dei cavi coassiali in qualsiasi configurazione di misura ad onda millimetriche si deteriorano con la frequenza, riducendo così l'accuratezza della misura e rendendo le misure in banda millimetrica ancor più impegnative.

Per affrontare queste sfide, che sono comuni anche nei test su dispositivi ad onde millimetriche, Anritsu ha sviluppato una gamma di riflettometri in miniatura basati sulla tecnologia delle linee di trasmissione non lineari (NLTL), che può essere utilizzata per estendere la gamma di frequenza di un VNA a microonde fino a 145 GHz ed oltre (Fig. 3).

Fig. 4. - Analizzatore vettoriale a 2 porte in banda E Anritsu MS46522B-082Oltre alle loro dimensioni miniaturizzate, questi moduli garantiscono anche stabilità termica a breve e lungo termine, elevata stabilità di ampiezza e fase e grande direttività. Soprattutto, il posizionare il ponte direzionale di campionamento vicino al dispositivo sotto test garantisce stabilità di ampiezza e fase a lungo termine.

Al fine di ridurre la complessità dei cavi ed approfittare di tutte le opportunità in altre applicazioni ad alta frequenza, è stata sviluppata anche una versione in banda E dei riflettometri basata su un formato AXIe modulare.

Conclusioni

Lo scopo delle realizzazione di questo prototipo era lo sviluppo di un sistema di misura dei materiali facile da usare ed intuitivo, che operasse nella cosiddetta banda E.

È stato dimostrato che una nuova architettura di analizzatore di reti vettoriali, abbinata ad una nuova antenna a risonatore dielettrico, che fornisce un fascio simile ad uno Gaussiano collimato, è in grado di semplificare in modo significativo la complessità di una configurazione di misura a spazio libero.

Inoltre, questo approccio può essere utilizzato anche da non specialisti per ottenere risultati accurati in ambienti come quelli di produzione.

Informazioni più dettagliate, inclusi i risultati, sono disponibili nella nota applicativa Anritsu dal titolo “E-Band based intrinsic material characterization using a novel VNA and antenna approach”. 

*F. Gerhardes lavora per Anritsu EMEA

**C. Culotta-Lopez lavora all'Istituto IHF RWTH di Aachen