Building Material Complex Permittivity at X-Band Frequencies: An Evaluation

Abstract

Представлено методологію дослідження характеристик діелектричних матеріалів, які часто використовуються в будівництві. Цей підхід передбачає оцінку властивостей поширення електромагнітних хвиль у хвилеводі, що містить досліджуваний матеріал, шляхом аналізу розмірів хвилеводу, виміряних параметрів та виконання процедур калібрування. Метод використовує метод пропускання/відбиття (T/R) для визначення складної відносної діелектричної проникності різних матеріалів. Спочатку використовується стандартний векторний аналізатор мережі для оцінки Sij параметрів у прямокутному хвилеводі, що містить досліджуваний матеріал, у частотному спектрі X-діапазону (8,5–12,5 ГГц). Згодом застосовується процес числової оптимізації для визначення комплексної діелектричної проникності за допомогою скрипта MATLAB, розробленого для визначення комплексної відносної діелектричної проникності діелектричного матеріалу, узгоджуючи виміряні та розраховані значення S-параметрів. Зокрема, використовуються два показники пропускання та відбиття: попереднє вимірювання виконується з використанням порожнього тримача зразка або діелектричного еталону. І навпаки, під час другого вимірювання тримач зразка заповнюється речовиною для характеристики. Легітимність цього підходу підтверджується експериментальними результатами, отриманими з різних діелектричних будівельних матеріалів, включаючи тефлон, ніздрюватий бетон та деревину, у порівнянні з альтернативними способами, що підтверджує ефективність запропонованої стратегії.

A methodology for characterizing dielectric materials frequently utilized in construction is presented. This approach entails assessing electromagnetic wave propagation properties within a waveguide containing the material under investigation, through the analysis of waveguide dimensions, measured parameters, and the implementation of calibration procedures. The method uses the Transmission/Reflection (T/R) technique to ascertain the complicated relative permittivity of various materials. A standard vector network analyzer is initially employed to estimate the Sij parameters within a rectangular waveguide containing the material under investigation in the X-band frequency spectrum (8.5 – 12.5 GHz). Subsequently, a numerical optimization process is applied to derive the complex permittivity, utilizing a MATLAB script designed to identify the complex relative permittivity of the dielectric material, aligning the measured and calculated values of the S-parameters. Specifically, two measures of transmission and reflection are employed: The preliminary measurement is performed using an empty sample holder or a dielectric reference. Conversely, in the second measurement, the sample holder is populated with the substance for characterization. The legitimacy of this approach is evidenced by experimental findings from various dielectric building materials, including Teflon, cellular concrete, and wood, in comparison with alternative ways, hence affirming the efficacy of the proposed strategy.