Microwave Methods for Interferometric Measurements

Abstract

Interferometrická mikrovlnná měření mohou najít uplatnění v celé řadě aplikací jako jsou měření malých fázových rozdílů, měření vysokých impedancí nebo nedestruktivní testování. Ačkoliv jsou interferometrická měření dobře známá například z optiky, v mikrovlnné technice mají svá specifika. Jak ukazují různé práce publikoavné v nedávné době, je zde několik nevyřešených problémů týkající se interferometrických měření. Jedním z takových problémů je přítomnost systematických chyb, která je v řadě prací opomíjena a systémy jsou považovány za ideální. S tím souvisí i fakt, že nebyly vyvinuty vhodné kalibrační techniky a vhodné kalibračních standardy pro taková měření. V případě přesného měření fází zcela chybí metodika pro absolutní měření, protože doposud publikované práce používaly interferometrické systémy jen pro relativní měření. Cílem této disertační práce je vyřešit problém absolutního měření pro přesné měření fází, analyzovat systematické chyby použitých systémů a navrhnout vhodnou kalibrační/korekční techniku pro odstranění těchto systematických chyb. Tyto cíle jsou v práci systematicky řešeny, od základních rozborů a analýz systémů s idealizovanými parametry, přes rozbor systematických chyb, díky němuž bylo možné navrhnout zcela speciální kalibrační techniku, která využívá frekvenčně závislých modelů pro kalibrační standardy a vyhodnocuje měřená data přes celé kmitočtové pásmo zároveň narozdíl od běžných kalibračních technik. Navržená kalibrační technika byla experimentálně ověřena pomocí interferometrického systému ve frekvenčním pásmu 8÷10GHz. Výsledky prokázaly, že navržená technika umožňuje kalibraci interferometrického systému pro přesné měření fází. Dále bylo ukázáno, že nejhorší případ nejistoty měření s takto zkalibrovaným systémem je téměř dvakrát menší v porovnání s přímým měřením pomocí vektorového obvodového analyzátoru.

The microwave interferometric measurements can be used in the several applications such as measurement of the small phase differences, measurement of the extreme impedances or near-field sensing. Although the interferometric measurements are well-known from the optics but there are specific aspects of such a measurement in the microwaves. As was shown in the recently published works, there are several problems regarding these measurements, which haven’t been solved yet. One of the problems is the existence of the systematic errors which were in the most cases completely neglected and the interferometric system was assumed as ideal. It is very closely related to the fact that there is no suitable calibration technique as well as calibration standards for such a systems. Finally, for the case of precise phase measurement or measurement of small phase differences there is lack of the method for the absolute measurement. Works published until now utilized interferometric measurement only for the relative phase measurement. The main aim of this thesis is to find an approach for the absolute measurement of the phase, to analyze the effect of the systematic errors and to design a suitable calibration technique to eliminate these systematic errors. These goals are successively analyzed and solved. Starting with the analysis of the idealized systems through the systematic errors analysis which helped to design new calibration technique, which utilize the parametric frequency dependant model and moreover contrary to the ordinary calibration techniques it evaluate the measured data simultaneously over the entire bandwidth. This technique was experimentally verified using the interferometric system in the frequency range 8 ÷ 10GHz. The results prove that the proposed technique enables the precise interferometric measurement of the phase. Additionally it was shown that the worst case of the uncertainty using the calibrated interferometric system is roughly twice smaller in comparison with the direct VNA measurement.