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

Sechstor-basierte Mikrowellenspektroskopie dielektrischer Materialien für nicht-invasive ISM Anwendungen

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-67197
  • 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. TheThis 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.show moreshow less
  • 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- undIm 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.show moreshow less

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Metadaten
Author:Maximilian Hofmann
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-67197
ISBN:978-3-944057-38-5
Series (Volume number):FAU Studien aus der Elektrotechnik (3)
Publisher:FAU University Press
Place of publication:Erlangen
Referee:Robert Weigel, Reinhard Knöchel
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2015
Embargo Date:2015/11/09
Publishing Institution:FAU University Press
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2015/07/29
Release Date:2015/11/11
Tag:Dielectric Materials; Industrial Engineering; Medical Engineering; Microwave Spectroscopy; Network Analysis; Non-Invasive Measurement; Radio Frequency; Six-Port Technolgy
SWD-Keyword:Netzwerkanalyse
Pagenumber:XIV, 177 S.
Note:
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press
Institutes:Technische Fakultät / Department Elektrotechnik-Elektronik-Informationstechnik
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access (DINI-Set):open_access
Collections:Universität Erlangen-Nürnberg / FAU University Press
Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC-ND - Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 3.0