Методы диэлектрической спектроскопии широко используются для характеристики электромагнитных характеристик материалов в микроволновом диапазоне частот. Для экспериментальных измерений Eps-Mu разработано большое количество различных методик, многие из которых подробно описаны в [1]. Проект EM-Calculator ориентирован на решение практических задач, которые могут возникнуть при экспериментальной характеризации свойств материалов в СВЧ-диапазоне при обработке результатов коаксиальных или волноводных измерений.
Для получения СВЧ-спектров комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей (Eps-Mu) можно использовать измеренные в эксперименте S-параметры исследуемого образца в коаксиальной или волноводной измерительной ячейке, подключенной к векторному анализатору цепей. Подробнее о особенностях измерений S-параметров смотрите раздел Методика измерений.
После того, как Вы провели измерения, необходимо сохранить полученные S-параметры в формате .s2p. Типичный .s2p-файл выглядит следующим образом:
Данный спектр был получен на векторном анализаторе цепей и содержит информацию о производителе, дате проведения измерений, а также непосредственно сами S-параметры. Типичный пример S-параметров фторопласта (толщиной Ls=4.0 мм) внутри коаксиальной ячейки Lc=34мм, расположенного на расстоянии Lpos=20 мм от калибровочной плоскости порта 1 можно скачать здесь.
Данные в .s2p файле обычно собраны в столбцы, разделенные пробелами либо горизонтальной табуляцией: в первом столбце находятся значения частот, на которых проводились измерения, в о остальных столбцах находятся S-параметры в порядке Abs(S11) (в децибелах), Arg(S11) (в градусах), Abs(S21), Arg(S21), Abs(S12), Arg(S12), Abs(S22), Arg(S22). Количество строк равняется количеству точек, на которое разбивается диапазон частот.
Экспериментальные спектры S-параметров, сохраненные в .s2p формате, можно преобразовать в спектры Eps-Mu при помощи нескольких специальных алгоритмов, что и осуществляется в разделе "Epsilon-Mu Калькулятор". На выбор предложено два алгоритма: NRW (Nicholson-Ross-Weir) и итеративный. NRW является более простым, прямым алгоритмом (при его использовании не нужно решать уравнения), однако для его использования необходимо знать положение образца внутри измерительной ячейки. В итеративном же методе знать положение образца не нужно, но требуется задать первоначальное приближение для Eps и Mu. Алгоритмы расчетов подробно описаны в работах [1], [2], [3], а также в стандарте [4]. Стоит отметить, что если заранее известно, что образец является немагнитным материалом, то рассчитывать магнитную проницаемость Mu не нужно, и оба алгоритма работают более стабильно. Для немагнитных материалов рекомендуется выбрать опцию "Тип материала: немагнитный", при этом при расчетах будет положено Mu = 1.
Список литературы:
[1] Basics of Measuring the Dielectric Properties of Materials, Keysight Application note, Literature number 5989-2589EN.
[2] A. M. Nicholson; G. F. Ross, Measurement of the intrinsic properties of materials by time domain techniques. IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement, vol. IM-19: 377-382, 1970 November.
[3] W. B. Weir, Automatic measurement of complex dielectric constant and permeability at microwave frequencies. Proceedings of the IEEE, vol. 62: 33-36; 1974 January.
[4] Baker-Jarvis, J. R., Janezic, M. D., Grosvenor, J. H., and Geyer, R. G., “Transmission/Reflection and Short-Circuit Line Methods for Measuring Permittivity and Permeability,” NIST Technical Note 1355, May 1992.
[5] Standard Test Method for Measuring Relative Complex Permittivity and Relative Magnetic Permeability of Solid Materials at Microwave Frequencies Using Waveguide, An American National Standard ASTM D556808 (2009).