Geri Dön

Novel complex dielectric permittivity measurement methods with open ended coaxial probes

Açık uçlu eşeksenel pboblarla kompleks dielektrik geçirgenliği ölçümü için özgün yöntemler

PDF İndir

  1. Tez No: 828261
  2. Yazar: İSMAİL DİLMAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET ÇAYÖREN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Electrical and Electronics Engineering, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 101

Özet

Doğada malzemeleri sınıflandırmak için kullanılan en önemli yöntemlerden birisi de elektriksel özelliklerinden faydalanmaya dayanan yaklaşımdır. En genel itibariyle malzemeler iletkenler, yarı iletkenler ve yalıtkanlar olarak üç ana sınıfa ayrılırlar. Bu tezin inceleme kapsamında olan dielektrik malzemeler yalıtkan malzemelerin bir alt sınıfı olarak adlandırılabilir. Dielektrik malzemeler, harici bir elektrik alana maruz kaldığında, içerisinde barındırdıkları elektronların hareketleri kısıtlanır. Bunun sonucunda, madde içinde kutuplanma (polarizasyon) meydana gelmektedir. Bu moleküler özelliğe dielektrik özellik denir. Bu dielektriksel özellik, makro boyutta kapasitif maddeler gibi elektriksel alana maruz kalındığında enerji depolanmasına imkan sağlar. Yük bozunma (distorsiyonu) eğilimi ne kadar büyük olursa, malzemenin geçirgenlik değeri o kadar büyük olur. Malzemelerin dielektrik özellikleri ilgilenilen frekansa bağlı olarak farklı yöntemler ölçülen karmaşık bağıl geçirgenlik ile ifade edilir. Geçtiğimiz yarım yüzyıl boyunca, malzemelerin dielektrik özelliklerinin belirlenmesi pek çok alanda yeni gelişmelerin önünü açmıştır. Örneğin mikrodalga temelli biyomedikal görüntüleme çalışmalarında, gerekli deneysel çalışmaları yapmak uygun fantomları hazırlayabilmek dokuların elektriksel özelliklerinin ölçülmesi sayesinde mümkün olmuştur. Ayrıca yapılan çalışmalar göstermiştir ki sağlıklı dokular ile hastalıklı dokular arasında da elektriksel özellikler açısından belirgin farklar vardır. Gıdaların elektriksel özelliklerinin belirlenmesi doğru sınıflandırılmalarına (tazelik-bayatlık, saflık-sahtelik) yardımcı olmuştur. Bir başka malzemelerin elektriksel özelliklerinin kullandığı alan ise inşaat mühendisliğinde duvar kalitesinin belirlenip depreme dayanıklı olmayan yapıların belirlenmesidir. Günümüzde dielektrik ölçümleri çok çeşitli yöntemler ile gerçekleştirilir. Bunlar arasında en sık kullanılan teknikler, açık uçlu koaksiyel prob yöntemleri, iletim hattı yöntemleri boş uzay yöntemleri, rezonans yöntemleri ve paralel plakalı kapasitör yöntemleridir. Boş-uzay tekniklerine dayalı dielektrik ölçümleri, genel olarak iki antenin arasına konulan düzlemsel kesitli malzemelerden antenlerden gönderilen elektromagnetik dalgaların iletilmesi ve yansıması sonucu antenlerden tarafından süzülen bu dalgalardan faydalanarak elektriksel özelliklerinin belirlenmesine dayanır. Bu şekilde uzaktan ölçüm ile yüksek sıcaklık ve tehlikeli maddelerin ölçülmesi mümkün olur. Bu yöntemdeki en büyük kısıt antenlerin çalışma frekansında dışında malzemelerinin elektriksel özelliklerinin belirlenmesinin mümkün olmamasıdır. Ayrıca açık bir ölçüm sistemi olmadığı için çevresel gürültülere karşı duyarlıdır. Rezonans-boşluk tekniği, bir tür tek frekans yöntemidir. Bu yöntemde rezonatörün içerisi elektriksel özellikleri belirlenmek istenen malzeme ile doldurulur ve değişen rezonans frekansı tespit edilmeye çalışılır. Numune hazırlama gerekli olsa da rezonans-kavite tekniği tahakkuk eden sonuçlar verir. Bu yöntem, düşük kayıplı malzemeleri ölçmek için uygundur. Bu yöntem de boş-uzay teknikleri gibi hem yansıyan hem de iletilen alanın ölçülmesine dayanmaktadır. Yüksek kayıplı malzemeler ölçülürken, iletilen alanlar alanı algılamak için gerekli değerlere sahip olamadığından doğru sonuçları elde etmek mümkün değildir. Rezonans yöntemi örneklerini incelediğimizde, malzemelerin karmaşık dielektrik geçirgenliğini bu yaklaşımlarla çok doğru bir şekilde elde etmenin mümkün olduğu görülür. Bununla birlikte, karmaşık dielektrik geçirgenliği yalnızca tek bir frekansta (rezonans frekansı) elde edilebilir. İletim hattı yöntemleri de tıpkı Rezonans-boşluk vd. boş-uzay teknikleri iletilen ve yansıyan elektromagnetik alanlarına dayanmaktadır. İletim hattı teknikleri genel olarak dielektrik malzeme ile bir dalga kılavuzunun doldurulması ile iletilen ve yansıyan alanlar ile ilişkili olan saçılma parametreleri bir vektör ağ analizörü kullanılarak toplanmasına dayanır. İletim hattı yönteminin de bu değerler kullanılarak bir yayılma faktörü tanımlanır. Malzemenin elektriksel özelliklerine bağlı olan yayılma faktörü, baskın bir mod için saçılma parametreleri kullanılarak hesaplanır. Son olarak, yayılma faktöründen malzemelerin elektriksel özellikleri hesaplanır. Bu yöntem her ne kadar resonant yöntem gibi yalnızca tek frekans cevap vermese de, dalga kılavuzlarının doğası gereği sadece baskın modun yayıldığı frekans sınırlarında malzemelerin elektriksel özelliklerinin hesaplanabilmesine imkan sağlar. Açık uçlu koaksiyel prob tekniği genel itibariyle bir probe ve vektör network analizöründen oluşur. Temel çalışma prensibi probe ile malzemenin temas ettiği yüzeydeki admitansı, probun ucundan gönderilen ve malzemeden yansıyan elektrik alanların oranlarına tekabül eden yansıma katsayısından faydalanarak hesaplamaktır. Bu admitans değeri ile malzemenin elektriksel özellikleri arasındaki ilişki matematiksel olarak farklı şekillerde ifade edilmiştir. Geniş bandlı ölçüme olanak sağladığı için çalışılan frekansa bağlı olarak farklı matematiksel yaklaşımlar söz konusu olmuştur. Örneğin düşük frekanslarda probe ve malzeme basit bir kapasitif elektrik devre ile ifade edilirken, yüksek frekanslarda içerisinde farklı modların yayıldığı bir koaksiyel dalga kılavuzu yaklaşımı kullanılmıştır. Açık uçlu koaksiyel prob tekniği geniş bantlı olması, ölçüldüğü malzemeye zarar vermemesi, kayıplı dielektrik malzemelerin ölçümümde de kullanılabilmesi sebebiyle diğer tekniklerden ayrılır. Bu özellikleri sebebiyle özellikle biyolojik dokuların elektriksel özelliklerinin belirlenmesinde sıklıkla kullanılır. Ayrıca diğer yöntemlere kıyasla daha basit kalibrasyon uygulamalarıyla bilim insanlarına kolaylık sağlar. Bu yöntemin en önemli tez avantajlarından bir tanesi bugüne kadar yapılan ölçümlerin görece yüksek hata oranlarına sahip olmasıdır. Yüksek hata oranları, ekipmanların ufak modelleme hatalarından, cihazın kalibrasyonu sırasındaki hatalardan ve ölçüm materyalinin ekipmanla temasının düzgün sağlanamamasından kaynaklanabilir. Bugüne kadar, yeni algoritmalar geliştirmek konusunda yapılan çalışmalar literatürde sınırlı kalmıştır. Bu tezde açık uçlu koaksiyel prob ile yapılan ölçümlerin daha doğru sonuçlar vermesi adına yeni algoritmik yaklaşımlar geliştirilmiştir. İlk olarak daha önce yapılan çalışmalar, yeni üretilen farklı fiziksel özellikteki problar için tekrar düzenlenmiştir. Daha sonra bu yöntemlerin geçerliliği referans sıvılar ile hem ölçüm yaparak hem de simülasyon programlarında doğrulanmıştır. Eski yöntemlerden farklı olarak, yeni bir yaklaşım ile malzemelerin elektriksel özellikleri birden fazla frekanstaki davranışlarının aynı anda değerlendirilerek daha tutarlı sonuçlar elde edilmek amaçlanmıştır. Bu noktada malzemelerin elektriksel özelliklerin frekansta değişiminin moleküler boyutta yapılan çalışmalardan da esinlenerek Cole-Cole veya Debye tarzı fonksiyonlar ile ifade edilebilmesi, yöntemin temelini oluşturur. Bu fonksiyonlara ait parametreler tüm frekanslar aynı anda çözülerek bulunduğunda ölçümlerde gürültü kaynaklı oluşan dengesiz sonuçların üzerinden gelinebilir. Önerilen yöntemin geçerliliği hem deneysel hem de simülasyon ortamında gösterilmiştir. Tez de bahsedilen bir yeni yaklaşımda ölçümde ortaya çıkan gürültülerin modellenmesidir. Bu yaklaşım farklı alanlarda (mikrodalga görüntüleme gibi) oldukça iyi sonuçlar verdiği değerlendirilerek açık uçlu koaksiyel prob tekniğine de uyarlanmıştır. Deneysel sonuçlar göstermektedir ki, bu yaklaşım ile hata oranları olukça azaltılmıştır. Tez de yapılan çalışmalar ile önerilen yaklaşımların geniş frekans bandında hem biyolojik dokuların ölçülmesinde hem de ucuz taşınabilir network analizör uygulamalarında açık uçlu probun kullanılabilmesine imkan sağladığı görülmüştür. Böylece, hassas ölçüm gerektiren açı uçlu koaksiyel probun tekniğinin medikal alanda tanı, teşhis ve tedavi cihazı olarak kullanılmasının önünü açılmıştır.

Özet (Çeviri)

Nowadays, microwave dielectric spectroscopy is a popular research topic for scientists with use in a broad area. Microwave dielectric spectroscopy is realized with various methods. The most commonly applied methods are coaxial probe methods, transmission line methods, free space methods, resonant methods, and parallel plate capacitor methods. The open-ended coaxial probe method differs from microwave dielectric spectroscopy by being broadband, non-destructive technique. In addition, it is suitable for measuring lossy materials. The open-ended coaxial probe techniques are based on retrieving the complex dielectric permittivity (CDP) from the aperture admittance of the probe. This process is carried out by using the reflection coefficients from the vector network analyzer. These are realized in two steps. In the first step, real reflection coefficients are determined from the measured reflection coefficients from the calibration procedure. Next step, by using the relation between the aperture admittance and CDP, electrical properties are obtained. The main weakness of the technique is a high error rate that prevents accurate and stable results. This thesis first gives a brief overview of the realization of microwave dielectric measurement with an open-ended coaxial probe. It will then describe one of the previous methods, the rational functional model, for an open-ended probe technique. Validation of the method is tested in both simulation and measurement setups. Moreover, the effectiveness of methods is shown in retrieving the biological sample. In addition, the mentioned technique for a commercial probe improved in the third section. In the following section, a new method to reduce the error rate of dielectric measurements of the open-ended coaxial probe has been developed. This method takes advantage of the observation that electrical properties of materials variations are continuous functions of frequency. In particular, we derive a mathematical model that enforces spectral continuity by directly incorporating the Debye relaxation model. In addition, the robustness of the proposed methods is tested with a low-sensitive pocket network analyzer. Finally, a novel approximation in which measurement uncertainty and experimental noise are addressed in determining the CDP processes is presented. However, these effects are not considered in previous open-ended coaxial probe measurement studies. Take advantage of this extra information to enhance the improving measurement accuracy and results in similar problems. Benefit from statistical information; we define a new cost function based on maximum-likelihood estimation. The obtained results have been compared with the values given in the literature. The results of that studies demonstrated that mentioned methods are achievable in reducing errors. In addition to the open-ended coaxial probe, the proposed approach can accurately obtain the Debye parameters of the MUT. Furthermore, extending the method for different relaxation models is straightforward by introducing additional partial derivatives of the new parameters.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    436356

    Multichannel and phase based magnetic resonance electrical properties tomography

    Çok kanallı ve faz temelli manyetik rezonans elektriksel özellik tomografisi

    NECİP GÜRLER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YUSUF ZİYA İDER

  2. Tez No

    762202

    Trimmed multilevel fast multipole algorithm for D-type volume integral equations in electromagnetic scattering problems

    Elektromanyetik saçılma problemlerindeki D-tipi hacim integral denklemlerinin kırpılmış çok seviyeli çok kutup yöntemi ile çözülmesi

    HALİL TOPÖZLÜ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. VAKUR BEHÇET ERTÜRK

    DR. ÖĞR. ÜYESİ BARIŞCAN KARAOSMANOĞLU(

  3. Tez No

    904011

    Characterization of different shape objects using EM pulse for several different scenarios

    Farklı senaryolarda EM darbesi kullanarak farklı şekillerdeki nesnelerin karakterizasyonu

    EMRE İŞCAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilişim Uygulamaları Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. SEBAHATTİN EKER

    PROF. VASIL TABATADZE

  4. Tez No

    403041

    Novel metamaterial blueprints and elements for electromagnetic applications

    Başlık çevirisi yok

    HAYRETTİN ODABAŞI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolThe Ohio State University

    PROF. FERNANDO L. TEIXEIRA

  5. Tez No

    570279

    Yürüyen dalgalı tüp kuvvetlendiricilerinde tek helisli yavaş dalgalı yapıların analizi, tasarımı ve incelenmesi

    Analysis, design and investigation of single helix slow-wave structures in traveling wave tube amplifiers

    AGAH OKTAY ERTAY

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SERKAN ŞİMŞEK

Geri Dön