Beschreibung
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.
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