Streufeldresonator: seltsames Messergebnis

[Frank E. (Firma: Q3) (qualidat)]

Wie sich vlt. jemand erinnern kann, baue ich an einem 
Materialfeuchtesensor auf Basis eines sog. "Streufeldresonators". Das 
ist ein Hohlraumresonator mit ringförmiger Öffnung, so dass das Material 
ausserhalb (über seine Dielektrizitätszahl) Einfluss auf Resonanz und 
Dämpfung nehmen kann.

Nun sieht mein erzieltes Ergebnis (rote Kurve = nur Tischplatte, 
trocken, blaue Kurve = Blatt davor) fast so aus, wie in der Literatur - 
mit einem Schönheitsfehler: Es stimmt zwar die Dämpfung, aber die 
Resonanzfrequenz hat sich erhöht anstatt niedriger zu werden.

Das ändert sich auch nicht bei dutzendfacher Wiederholung und anderer 
"feuchter" Targets (z.B. nasses Küchentuch in Plastiktüte). Dabei 
verschieben sich zwar die Werte etwas, das Grundproblem bleibt.

Wie kann das sein?
Gibts hier einen HF-Guru, der eine nachvollziehbare Idee hat?
Danke

Zum Aufbau:

- ADF4351 ohne zus. Verstärker
- Detektorschaltung mit Schottky-Diode und log. OPV
- ESP32 zur Steuerung und über ADC zum Lesen der Spannung aus dem OPV
- Frequenz um die 3,6 GHz

[Günter R. (guenter-dl7la)]

Es kommt darauf an, welche Moden du anregst und misst. Du schließt den 
vorher offenen Holleiter jetzt mit einer Last ab, die bei Wasser mit 
komplexem ε außer der kapazitiven auch eine Leitfähigkeits-Änderung mit 
sich bringt. Den Extremfall würde z.B. eine Metallplatte mit sehr großer 
Leitfähigkeit bilden.
Auch die geringe Wasserlast lässt die Resonatorgeometrie von offen zu 
(ganz wenig) geschlossen wandern.
MfG

[Günter L. (Firma: Privat) (guenter_l)]

von Frank E. schrieb:
>Es stimmt zwar die Dämpfung, aber die
>Resonanzfrequenz hat sich erhöht anstatt niedriger zu werden.

Wenn man etwas elektrisch leitfähiges in eine Spule bringt
werden die Feldlinien verdrängt, der Querschnitt durch die
die Feldlinien laufen wird kleiner, die Induktivität wird
kleiner und dadurch die Frequenz höher.

Beitrag "Metall als Spulenkern"

[Frank E. (Firma: Q3) (qualidat)]

Zumindest ein Detail-Problem konnte ich inzwischen lösen: Die 
ungedämpfte Kurve hat oben so "Delle und Höcker" (s. Bild erster Post) 
statt eines "sauberen" Maximums.

Das lag tatsächlich am geringfügigen Längen-Unterschied (ca. 1mm) der 
beiden Antennen (Einspeisung und Monitoring) im Resonator. Jede hatte 
ihren eigenen Resonazpunkt und nicht einen gemeinsamen ...

[Günter R. (guenter-dl7la)]

Fein. Eine der Daumenregeln der 'höherfrequenten Magie' ist, dass 1 mm 
etwa 1nH Induktivität entspricht (je 'dünner' der Leiter, etwas mehr, je 
näher an anderen Leitern, etwas weniger).

1 nH bei 3 GHz macht sich schon bemerkbar...

Edit: typos

[Günter R. (guenter-dl7la)]

@ Frank: hast ne PN

[Frank E. (Firma: Q3) (qualidat)]

Mal eine Frage an die Experten hier: Mein Streufeldresonator, enthält 
zwei Antennen, eine für die Einspeisung und eine für die Messung.

Jetz denke ich darüber nach, mal Tests mit Stripline- bzw. 
Patch-Antennen zu machen,  weil die deutlich flacher und einfacher 
herzustellen sind.

Aber alles was ich dazu im Web finde, hat nur einen Anschluss. Wo kann 
ich mein Monitoring-Signal abfassen, um Verstimmtung und Dämpfung zu 
ermitteln?

Eine zweite Antenne daneben? Oder diret am Einspeise-Anschluss, nur eben 
stark gedämft? Oder garnicht unbendingt gedämpft, einfach auf "höherem 
Level"?

[Günter R. (guenter-dl7la)]

Ich würde klassisch auf nur eine Antenne und einen Richtkoppler in der 
Zuleitung setzten. So etwas ist bei λ ≈ 10 cm in Streifenleitungstechnik 
recht einfach zu realisieren.

Vorteil der Symmetrie, dass man nur eine Antenne hat, die auf das Feld 
reagiert. Zwei gleiche Patchantennen in geringer Nähe stelle ich mir 
problematischer vor. Da du aber nur im Nahfeld arbeitest, ließen die 
sich durchaus auch mit FR4 realisieren und dessen Verluste in Kauf 
nehmen.

[Frank E. (Firma: Q3) (qualidat)]

Ok, das Prinzip Richtkoppler hab ich jetzt wohl ansatzweise verstanden. 
Damit kann ich einen Teil des Antennensignals fürs Monitoring 
auskopplen, brauche keine zweite Antenne ...

Nächstes Problem: Webseiten und Tools, um eine Stripline Patch Antenne 
zu berechnen, gibts massig. Aber alle nur rechteckig und mit Speisung 
irgendwo am Rand. Kennt jemdand ein freies Tool, mit dem ich eine runde 
Patchantenne mit (fast) mittiger Coax-Speisung berechnen kann?

Bilder davon hab ich gefunden, aber ohne Berechnungs-Grundlage ...

Nachtrag: Ich versuche mich jetzt mal an der Student-Version von 
Dassault Antenna Magus ...

[Günter R. (guenter-dl7la)]

Eine auch in Frage kommende Antennenform wäre die Schlitzantenne, wo 
Leiter und Isolator nach dem Babinetschen Prinzip vertauscht werden (ob 
man die Patchantennen als Grenzfall davon auffassen kann, no idea, aber 
recht  wahrscheinlich). Praktisch wurden/werden Schlitzantennen 
jedenfalls im Flugzeugbau angewendet, da man sie oberflächenbündig 
gestalten kann.

(Hier eine Quelle aus meiner Studentenzeit long time ago 
Meinke-Gundlachs Taschenbuch der HF-Technik, 3.Auflage, S. 520 ff und 
605 ff).

Edit: ich sehe haufenweise Quellen dazu im Netz, schmal. und 
breitbandig...

[Silvio K. (exh)]

Mach mal Ein- und Ausgangsseitig 3 dB Dämpfung dazwischen.
Ist deine Detektorschaltung ein Eigenbau?

Edit:
Ab 3 GHz ist Bastelei langsam nicht mehr so einfach. Probiere des doch 
mal mit der halben Frequenz.
Hast du deinen Resonator mit einem richtigen VNA vermessen können?

[Frank E. (Firma: Q3) (qualidat)]

Silvio K. schrieb:
> Mach mal Ein- und Ausgangsseitig 3 dB Dämpfung dazwischen.
> Ist deine Detektorschaltung ein Eigenbau?

Dämpfung klingt gut, klingt nach Entkopplung. Wie mache ich das? Einfach 
Widerstand in Reihe oder Spannungsteiler?
Ja, es ist eine einfache Detektorschaltung mit einer Schottkydiode und 
kleinem Single-OPV als Spannungsverstärker.

> Ab 3 GHz ist Bastelei langsam nicht mehr so einfach. Probiere des doch
> mal mit der halben Frequenz.
> Hast du deinen Resonator mit einem richtigen VNA vermessen können?

Ja, ich kenne die quasi Vodoo-Effekte bei hohen Frequenzen. Niedriger 
ist aber auch unpraktisch, weil der Resonator dann als Messkopf 
unpraktisch groß wird. Ich habe ihn anhand einer Grafik mit Maßangaben 
und vorhandenem Material gebaut. Die Maße (s. Bild) stammen aus einem 
Fachbuch.

Eigentlich sollte die Resonanz bei 2.4 GHz liegen, fand sich dann aber 
bei 3.4 GHz. Eine Frequenz in Wellenlänge umrechnen und die durch 4 oder 
5 teilen (bezüglich der Maße des Resonators) kann ich schon ... um so 
merkwürdiger das Resultat ...

Nachtrag: Im geamten Frequenzbereich, den der ADF4153 in reinem Sinus 
(also ohne Teiler zu aktivieren)  liefern kann, von 2.2 bis 4.4 GHz gibt 
es nur noch eine deutlich ausgeprägte Resonanzstelle. In einem früheren 
Aufbau hatte ich längere Kabel (ca. 80cm) verwendet, da war der Bereich 
noch voller sog. "Moden", fast alle gleich groß.

[Silvio K. (exh)]

Guten Morgen,
Dämpfungsglieder gibt es günstig in China, wo sonst. Wenn du später eine 
Leiterplatte machen solltest, dann kannst du Dämpfungsglieder mit 
Widerstanden ordentlich machen und klein, aber für einen ersten Versuch, 
nimmt gekaufte. Laut Foto sind die SMA-Konnektoren an deinem Resonator 
vorhanden. Deine multiplen Resonanzen können auch durch die Kabel 
kommen, weil auf der Resonatorseite sie ja zumindest außerhalb der 
Resonanzen schlecht angepasst sind. Ja eigentlich hast du da 
Totalreflektion und wie es auf der zweiten Seite des Kabels aussieht, 
weiß ich nicht. Es gibt auch schöne RF-Detektoren als ICs, die würde ich 
einem Eigenbau auch vorziehen. Eigenbau birgt die Gefahr, dass alles 
möglich passieren kann.
Der Resonator ist laut Zeichnung kein Hohlraumresonator, sondern ein 
Leitungsresonator. Die Einkopplung macht man aber besser so wie in der 
angehängten Zeichnung. Die Schleifenfläche würde ich in einem ersten 
Schritt zwischen 5 und 25 mm² groß wählen.

[Frank E. (Firma: Q3) (qualidat)]

Ich wollte nur mal berichten: Es gibt Fortschritte, siehe Bilder. Den 
Steuer-Prozessor haben wir inzwischen aus Platzgründen auf einen XIAO 
umgestellt. Der sitzt zusammen mit dem Schottky-Detektor auf der grünen 
Lochrasterplatine ...

Das Grundgerüst für den Algorithmus zum Lorentz-Fitting hat übrigens 
zunächst ChatGPT erstellt, allerdings etwas "sub-optimal".

Nach einigen Korrekturen ist die daraus erstellte Funktion sowohl in C++ 
(Arduino-Code), in Processing (s. Bild) und auch in Xojo (für das 
spätere Raspi-Display) gut nutzbar.

[Frank E. (Firma: Q3) (qualidat)]

Silvio K. schrieb:
> Guten Morgen,

> Der Resonator ist laut Zeichnung kein Hohlraumresonator, sondern ein
> Leitungsresonator. Die Einkopplung macht man aber besser so wie in der
> angehängten Zeichnung. Die Schleifenfläche würde ich in einem ersten
> Schritt zwischen 5 und 25 mm² groß wählen.

Da gibt es das Problem, dass es schwierig ist, die Leiter innen im 
Resonator gut leitend fest zu machen ... ansonsten würde ich das 
durchaus mal probieren. Aber inzwischen geht das auch so ...

Die korrekte Bezeichnung in der Fachliteruatur (im Kontext der 
Feuchtemessung) ist übrigens "Streufeld-Resonator".

[Silvio K. (exh)]

Frank E. schrieb:
> Da gibt es das Problem, dass es schwierig ist, die Leiter innen im
> Resonator gut leitend fest zu machen

Das ist richtig. Du kannst das Schleifenende aber gut an den SMA-Stecker 
löten. Der ist vergoldet. Dann lassen sich auch schnell verschiedene 
Schleifen ausprobieren und einfach per SMA-Stecker wechseln.

Wichtig ist, dass du den Vorschlag mit den Dämpfungsglieder 
ausprobierst. Sonst kommen schnell irgendwelche Resonanzen bzw. 
Resonanzverschiebungen durch Stehwellen auf den Kabeln dazu. Mit ein 
bisschen Dämpfung macht man diese ungewollten Stehwellen tot.

Edit: In welchem PLZ-Bereich bist du anzutreffen?

[Frank E. (Firma: Q3) (qualidat)]

Silvio K. schrieb:

> Edit: In welchem PLZ-Bereich bist du anzutreffen?

15732 :-)

[Silvio K. (exh)]

Frank E. schrieb:
> 15732

Oh, nice. Ist gar nicht so weit. Ich bin ab und zu in Wildau ;-) Falls 
es Sinn macht, kannst du mir eine PN schreiben.