Six-Port-Based Microwave Spectroscopy of Dielectric Materials for Non-Invasive ISM Applications

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2015-11-11
Issue Year
2015
Authors
Hofmann, Maximilian
Editor
Publisher
FAU University Press
ISBN
978-3-944057-38-5
Abstract

This book addresses wideband spectroscopy of dielectric materials based on a Six-Port technology. State-of-the-art laboratory instruments for spectroscopy of dielectric liquids in the micro- and millimeter wave range, suffer from penetrating measurement techniques and considerable costs. A novel contactless measurement concept for dielectric characterization of liquid samples is explained, with a particular focus on industrial and medical applications. Several measurements on animal and human tissue materials are presented and discussed in this book. The demonstration of a contactless, dielectric measurement procedure including its calibration algorithm is subsequently described. The presented wideband measurement system consists of an on-line, non-invasive, dielectric sensor, an alternative vector network analyzer including its sub-components, such as Wilkinson power divider, quadrature coupler and power detectors. The demonstrated frequency range is between 2 GHz and 30 Ghz, thus a frequency bandwidth of multiple octaves i.e. a relative frequency range of more than 170% has been achieved.

Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die breitbandige Mikrowellenspektroskopie auf Basis einer Sechstor-Architektur behandelt. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Entwicklung eines berührungslosen Messverfahrens zur Untersuchung dielektrischer Materialien, einschließlich des dazugehörigen Kalibrieralgorithmus. Im Fortgang werden Entwurf und Implementierung eines alternativen Netzwerkanalysators auf Basis einer direktumsetzenden, passiven Empfängerstruktur vorgestellt. Abschließend stehen die Evaluation und der Vergleich verschiedener Funktionsdemonstratoren im Fokus dieser Abhandlung. Moderne Labormessgeräte zur Erfassung dielektrischer Stoffeigenschaften im Mikro- und Millimeterwellen-Frequenzbereich sind durch hohe Anschaffungskosten sowie durch kontaktierende Messverfahren gekennzeichnet. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neuartiges, berührungsloses Messverfahren zur Charakterisierung dielektrischer, schlauchgeführter Flüssigkeiten vorgestellt. Mit Hilfe des entwickelten Kalibrierverfahrens wird die spektrale Bestimmung der komplexen Dielektrizitätskonstante im Durchfluss ermöglicht. Im Anwendungsbereich der Stoffanalyse können mit diesem Messverfahren Konzentrationsunterschiede von weniger als 0.1% erfasst werden. Im Vergleich zu etablierten Sensorprinzipien wird eine hochgenaue und kontaktlose Messung der permittiven Eigenschaften an schlauchgeführten Medien über mehrere Oktaven ermöglicht. Das HF-Gesamtsystem, bestehend aus Netzwerkanalysator und Sensor, ermöglicht die Erfassung der komplexen Permittivitätskonstante bei vergleichsweise geringer Schaltungskomplexität. Ein wichtiger Meilenstein der Arbeit beinhaltet folglich die Umsetzung ultra-breitbandiger, passiver Schaltungskomponenten. Zu diesen gehören insbesondere symmetrische Richtkoppler, Wilkinson-Leistungsteiler und Leistungsdetektoren. Das entworfene Messgerät einschließlich aller Subkomponenten besitzt eine relative Bandbreite von mehr als 170 %. Des Weiteren wird eine neuartige Kalibrierung des Sechstorempfängers für Permittivitätsmessungen unter Zuhilfenahme wohldefinierter Kalibriermaterialien vorgestellt.

Series
FAU Studien aus der Elektrotechnik
Series Nr.
3
Notes
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press
DOI
Faculties & Collections
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