Tansmissionsegenskape av mateial i fekvensomådet 2-11 GHz och möjlighete att se igenom ANNA JÄNIS STEFAN NILSSON FOI ä en huvudsakligen uppdagsfinansiead myndighet unde Fösvasdepatementet. Känveksamheten ä foskning, metod- och teknikutveckling till nytta fö fösva och säkehet. Oganisationen ha cika 135 anställda vaav ungefä 95 ä foskae. Detta gö oganisationen till Sveiges stösta foskningsinstitut. FOI ge kundena tillgång till ledande expetis inom ett stot antal tillämpningsomåden såsom säkehetspolitiska studie och analyse inom fösva och säkehet, bedömningen av olika type av hot, system fö ledning och hanteing av kise, skydd mot hanteing av faliga ämnen, IT-säkehet och nya sensoes möjlighete. FOI Totalfösvaets foskningsinstitut Tel: 13-37 8 www.foi.se Sensoteknik Fax: 13-37 81 Box 1165 581 11 Linköping FOI-R--1861--SE Teknisk appot Sensoteknik ISSN 165-1942 Decembe 25
Anna Jänis Stefan Nilsson Tansmissionsegenskape av mateial i fekvensomådet 2-11 GHz och möjlighete att "se igenom" FOI-R--1861--SE ISSN 165-1942 Sensoteknik Teknisk appot Decembe 25
Utgivae Rappotnumme, ISRN Klassificeing FOI - Totalfösvaets foskningsinstitut FOI-R--1861--SE Teknisk appot Sensoteknik Box 1165 581 11 Linköping Foskningsomåde 4. Ledning, infomationsteknik och sensoe Månad, å Pojektnumme Decembe 25 Delomåde E365 42 Spaningssensoe Delomåde 2 Föfattae/edaktö Pojektledae Anna Jänis Stefan Nilsson Stefan Nilsson Godkänd av Söen Svensson Uppdagsgivae/kundbeteckning FM Tekniskt och/elle vetenskapligt ansvaig Anna Jänis Rappotens titel Tansmissionsegenskape av mateial i fekvensomådet 2-11 GHz och möjlighete att "se igenom" Sammanfattning Rappoten edovisa ett abete inom pojektet Teknisk vädeing av nya sensofömågo fö stid i bebyggelse som gälle expeimentell katläggning av tansmissionsegenskape fö olika mateial i fekvensomådet 2-11 GHz. Mateial som undesöktes inom pojektet va textilie, emballage- och byggmateial. I appoten pesenteas också en undesökning om hu tansmissionsegenskape ändas beoende på mateialets fuktighetsgad. Denna undesökning baseas på tansmissionsmätninga genom läde. Analys av mätesultat visa att läge fekvense kävs fö att uppnå tilläckligt hög penetation genom byggmateial. Riktigt låga fekvense kävs fö tilläckligt ba penetation genom yttevägga och något höge fekvense fö tilläckligt ba penetation genom innevägga. Penetationen genom emballagemateial och textilie ä hög även vid höge fekvense. En ökning av mateialets fuktighetsgad medfö läge tansmission. Nyckelod Tansmissionsegenskape, millimetevågsavbildning, byggmateial, emballage, textilie, stid i bebyggelse, övevakning Öviga bibliogafiska uppgifte Spåk Svenska ISSN 165-1942 Antal sido: 29 s. Distibution enligt missiv Pis: Enligt pislista 2
Issuing oganization Repot numbe, ISRN Repot type FOI Swedish Defence Reseach Agency FOI-R--1861--SE Technical epot Senso Technology Box 1165 SE-581 11 Linköping Pogamme Aeas 4. C4ISTAR Month yea Poject no. Decembe 25 Subcategoies E365 42 Above wate Suveillance, Taget acquistion and Reconnaissance Subcategoies 2 Autho/s (edito/s) Poject manage Anna Jänis Stefan Nilsson Stefan Nilsson Appoved by Söen Svensson Sponsoing agency Swedish Amed Foces Scientifically and technically esponsible Anna Jänis Repot title (In tanslation) Tansmission popeties of mateials in the fequency ange 2-11 GHz and possibilities to "se though" Abstact The epot pesents a wok included in the poject Technical evaluation of new senso abilities to uban wafae which concens expeimental mapping of tansmission popeties of diffeent mateials in the fequency ange 2-11 GHz. Mateials which wee examined in this poject wee packaging, clothing and building mateials. In this epot, an investigation of how tansmission popeties ae changed depending on degee of moistue in the mateial is also pesented. This investigation is based on tansmission measuements though leathe. An analysis of the measuement esults shows that lowe fequencies ae suitable to get efficient penetation though building mateials. Really low fequencies ae suitable fo efficient penetation though oute walls and somewhat highe fequencies fo efficient penetation though inne walls. Penetation though packaging and clothing mateials is high even at highe fequencies. Highe degee of moistue in the mateial bings lowe tansmission. Keywods Tansmission popeties, millimete wave imaging, building, packaging, clothing mateials, uban wafae, suveillance Futhe bibliogaphic infomation Language Swedish ISSN 165-1942 Pages 29 p. Pice acc. to picelist 3
4
Innehållsföteckning 1 Föod... 6 2 Inledning... 7 3 Bakgund... 9 3.1 Atmosfäsdämpning... 9 3.2 Högupplösande avbildande system... 1 4 Resultat... 11 4.1 Mateialegenskape... 11 4.2 Mätutustning... 12 4.2.1 Mateialkaakteiseing i vågledae... 13 4.2.2 Mateialkaakteiseing i fiymd... 15 4.3 Mätesultat och beäkninga... 18 4.3.1 Mateialkaakteiseing av byggmateial i vågledae... 18 4.3.2 Tansmissionsmätninga av byggmateial, emballage och textilie i fiymd... 22 4.3.3 Fuktighetsmätninga... 25 5 Slutsatse och ekommendatione... 28 6 Refeense... 29 5
1 Föod Abetet som pesenteas i den hä appoten genomfödes inom amen fö två pojekt: Teknisk vädeing av nya sensofömågo fö stid i bebyggelse, finansiead av Stategiska foskningskäno Nanokomponente i THz-omådet, ett av sju pojekt inom fas I av Fösvaets Nanoteknikpogam. Denna appot ä slutappot inom det föstnämnda pojektet. Ett stot tack fö paktisk hjälp och fö givande diskussione vill vi famföa till våa kollego: Staffan Rudne Jan-Olof Ousbäck Jan Fagestöm Las-Göan Heimdal Jan Kjellgen Ain Sume 6
2 Inledning Det mänskliga ögat betakta omvälden inom ett smalt våglängdsomåde, 4-7 nm, av det elektomagnetiska spektumet (figu 1). De olika våglängdena upplevs i den mänskliga hjänan som olika fäge, dä de kotaste ä violetta och de längsta öda. Genom att utnyttja också anda våglängdsomåden kan vi få en mea komplett bild av omvälden, vilket i sin tu kan leda fam till nya användningsomåden. Figu 1. Det elektomagnetiska spektumet. 7
Unde de senaste åen ha intesset ökat fö att etablea fömåga att se igenom olika slags mateial. I samband med exempelvis stid i bebyggelse (SIB), finns ett stot behov av att kunna se vad som finns bakom vägga, och då ä det viktigt att ha kunskap om tansmissionsegenskapena fö olika type av byggmateial. Ett annat angeläget omåde ä övevakning fö ökad säkehet och teobekämpning. Dä ä man me intessead av möjligheten att se igenom kläde och föpackninga fö att hitta undangömda vapen, spängämnen, nakotika samt faliga biologiska och kemiska ämnen. I båda fallen ä det intessant att skapa en bild av det gömda hotobjektet och detta åstadkoms lämpligen med någon fom av adasystem med lämpligt vald fekvens. Med adasystem avses hä både stationäa och mobila, fodons- och handbuna system. Mikovågo ha nämligen egenskapen att kunna penetea olika slags dielektiska mateial. Radans fömåga att upplösa objekt i vinkel beo av fekvensen. Ju höge fekvens som används desto bätte bli upplösningen. Fö en viss given fekvens öka samtidigt upplösningen med antennens diamete. Fö att kunna skapa en tolkningsba bild av objekt i olika stolek behövs en lämplig upplösning hos det avbildande systemet. Små objekt käve en höge upplösning än stöe. Vid detektion av människo bakom vägga kan läge fekvense användas, medan fö fallet med minde hotobjekt gömda unde kläde behövs ofta höge fekvense. En fågeställning i detta abete ä att avgöa hu väl olika avbildande system fungea i fekvensomåden som mikovågo, inklusive millimetevågo (3-3 GHz), och även teahetzomådet (1 GHz - 1 THz). Definitionsmässigt ä dessa två fekvensomåden delvis övelappande. Med de nämnda applikationena i åtanke, genomfödes ett antal tansmissionsmätninga på olika type av mateial. De type av mateial som ä av intesse i samband med stid i bebyggelse och övevakning va textilie, emballage- och byggmateial. Byggmateial kan i sin tu delas i två guppe: 1) Byggmateial fö yttevägga, yttedöa och fönste 2) Byggmateial fö innevägga och innedöa Det va bestämt fån böjan att vid mätningana använda den befintliga mätutustningen som fungea i fekvensomådet fån 4 MHz till 11 GHz, och dämed undvika inköp av ny dyba mätutustning. På gund av detta blev den högsta fekvensen fö mätningana 11 GHz. Däemot kan man genom att använda de uppmätta mateialpaametana beäkna, och på så sätt pediktea, tansmissionen fö höge fekvense teahetzfekvense. Alla mätesultat skulle stuktueas och samlas i en databas fö att kunna användas vidae inom dessa två pojekt, och även inom anda pojekt. Analys av mätdata skulle ge sva på hu lätt, elle svåt, det ä fö mikovågo att penetea olika mateial, och däefte ge en viss indikation om vilka fekvense som ä födelaktigast fö specifika applikatione. 8
3 Bakgund De fekvensomåden som ä mest aktuella fö att avbilda objekt igenom textilie, emballage- och byggmateial ligge inom millimetevågs- och teahetzomådet. Bägge ha fö- och nackdela beoende på applikationen 1, 2. Men också läge fekvensband ned till 2 GHz inyms i denna undesökning. 3.1 Atmosfäsdämpning Inom millimetevågsomådet finns det ett antal atmosfäiska fönste som ä centeade vid fekvensena 35, 94, 14 och 22 GHz (figu 2). Figu 2. Dämpning av elektomagnetiska vågo i atmosfäen. Dämpningskoefficient i en luft fö dessa fönste finns pesenteade i tabell 1, dä man också kan jämföa med dämpningen vid fekvense 1 och 1 THz. Fån tabellen kan man notea att dämpningen vid 1 THz ä ca 5 db höge än vid,1 THz. Vid dåligt väde bli dämpningen i atmosfäen höge. Fekvens THz Atmosfäisk dämpning db km -1,35,15,94,6,14 2,22 8 1 5 1 1 Tabell 1. Atmosfäisk dämpning i en luft (T=2 C, H 2 O=7,5 g m -3 ). Det ä välkänt att millimetevågo dämpas minde vid dåligt väde, genom damm och ök i jämföelse med till exempel vågo i IR elle det visuella omådet. 9
3.2 Högupplösande avbildande system Högupplösande system baseade på millimetevågo esp. teahetzomådet beaktas. Dessa fekvensomåden ge fömåga till såväl hög avståndsupplösning men famföallt hög vinkelupplösning. Föenklat kan sägas att penetationsfömågan minska med ökande fekvens, dvs. fö många fasta mateial ä penetationen mycket höge fö millimetevågssystem i jämföelse med teahetzsystem. Millimetevågsavbildning ä en ganska vällutvecklad teknik och ha en lång histoia. Redan å 1955 appoteade Ditchfield & England 3 om det fösta millimetevågsbaseade avbildningssystemet i Stobitannien, vilket ge denna teknik 4 ås föspång jämföt med utvecklingen av teahetzsystem. De kontaste i bildena som fås med millimetevågssystem uppkomme av skillnade i tansmission, eflektion och absoption mellan bakgund och objekt. Däfö ä det viktigt att ha kunskap om dessa mateialegenskape. I teahetzdelen av spektumet finns det fotfaande svåighete med att utveckla såväl stålningskällo med hög effekt som tilläckligt känsliga detektoe. Å 1995 appoteade Hu & Nuss 4 om det fösta avbildningssystemet i teahetzomådet, som baseades på elektooptisk tidsdomänspektoskopi. Denna koheenta teknik ge möjlighet att skapa högupplösta bilde av intena stuktue i objektet i avståndsledd. I teahetzomådet ha fasta mateial absoption som kan hänföas till vibations- och gittemode. Gittemode uppkomme vid höge fekvense, som till exempel hos polyeten med gittemod vid 2,4 THz. Detta ge möjlighet fö teahetzsystem att också ge spektal infomation och utnyttja de spektala skillnadena fö att säskilja ett mateial fån ett annat. Atmosfäen ha stak absoption i teahetzomådet (figu 2), men denna effekt ä inte så stakt begänsande eftesom huvuddelen av tillämpningana avse kothållsapplikatione. Bland sådana applikatione som utvecklats unde senae tid finns medicinsk avbildning och icke föstöande povning. Teahetzsystem ha också möjlighet att användas inom säkehetsomådet och då finns det två födela jämföt med millimetevågssystem. 1) Teahetzsystem ha höge ymdupplösning jämföt med millimetevågssystem. 2) Teahetzsystem ge möjlighet till att få spektala signatue, något som inte fås med millimetevågssystem. 1
4 Resultat 4.1 Mateialegenskape Nä den elektomagnetiska stålningen täffa ett medium så eflekteas en del av stålningen vid ytan, medan den anda delen av stålningen tänge in i mateialet och absobeas elle tansmitteas. Enligt lagen om enegins bevaande ä summan av eflektion, R, tansmission, T, och absoption, A, alltid detsamma, dvs. R + T + A = 1. Genom att känna till två av dessa stohete kan man alltid äkna fam den tedje. Mateialets absoptionsfömåga kan beskivas med hjälp av elativ pemittivitet, ε, och elativ pemeabilitet, µ. Dessa stohete skivs vanligen nomeade till vädena i vakuum, ε och µ, på följande sätt: ε = ε ' " = ε jε ε ' " μ = μ = μ jμ μ Dä ε och µ ä eell del och ε och µ ä imaginä del av espektive pemittivitet och pemeabilitet. Man kan också skiva dessa samband på ett annat sätt, till exempel fö pemittivitet: ' ε = ε cosδ ε ε " = ε sinδ ε Dä " ε ε ' tanδ = ä den så kallade fölustfakton. Mateialets eflektion stys av impedansen. Om man utgå fån att vågen ö sig pimät i ett medium som ha impedansen Z 1 och däefte täffa ett medium som ha impedansen Z 2 då fås eflektion, R, vid gänsen mellan de två mediena enligt följande: Z R = Z 1 1 Z + Z 2 2 Dä impedansen, Z, definieas av den elativa pemeabiliteten µ och den elativa pemittiviteten ε : Z μ = Z, dä Z 377Ω ä impedansen i vakuum. ε Nä ett dielektiskt mateial, t.ex. textilie, emballage- elle byggmateial, befinne sig i ett elektiskt fält bli mateialet polaiseat. Detta hände via ett antal olika polaisationspocesse som ä de olika fölustmekanismena i mateialet. 11
Dessa polaisationspocesse ä: 1) Elektonisk polaiseing, ske i alla mateial och ä en liten föskjutning av elektone i en atom i elation till känan. 2) Polaiseing av jone ä en liten föskjutning av katjon- och anjongitte i elation till vaanda. 3) Oienteingspolaiseing ske i mateial med poläa molekyle, som till exempel vatten, dä de slumpmässigt oienteade molekylena oienteas i ett pålagt elektiskt fält. 4) Gänsytepolaiseing ä en pocess dä det ske en begänsad tanspot av laddningsbäae unde påvekan av ett elektiskt fält som esultea i en koncentation av dessa vid potentialbaiäe som till exempel vakanse, kongänse och föoeninga. Alla polaisationspocesse upptäde i mateialet vid speciella fekvense (figu 3) och oienteingspolaiseing ä den viktigaste fölustmekanismen i mikovågsomådet. Vät att notea ä att fölustmekanismena ä tempeatubeoende och höge tempeatue medfö stöe väde på pemittiviteten. Figu 3. Änding av pemittivitet, ealdel ε och imaginädel ε, med fekvensen. 4.2 Mätutustning På FOI i Linköping finns två type av mätsystem fö mateialkaakteiseing tillgängliga. Det ena ä ett system fö eflektions- och tansmissionsmätninga av fasta mateial i vågledae, dä man använde en vektoiell nätveksanalysato fö mätninga i fekvensomådet,4-4 GHz. Det anda systemet ä ett system fö eflektions- och tansmissionsmätninga av stöe povpanele i fiymd dä man använde en skalä nätveksanalysato fö mätninga i fekvensomådet 2-11 GHz. 12
4.2.1 Mateialkaakteiseing i vågledae Nätveksanalysaton som användes fö mateialkaakteiseing i vågledae ä en vektoiell nätveksanalysato av mäket Wilton 37269B. Fö att täcka fekvensomådet mellan,4 och 4 GHz användes 7 olika vågledae fö 7 olika fekvensband (figu 4). Speciella mateialpove tillvekades fö vaje vågledae fö att passa in i povhållae vilka ä utfomade som en del av tansmissionslinjen. Vågledae Fekvensband 2,54 cm koaxial 18, 26,5 Povhållae Ka 26,5 4, Figu 4. Wilton 37269B vektonätveksanalysato med vågledafixtu. G C X P K Fekvens (GHz),4 4, 3,95 5,85 5,85 8,2 8,2 12,4 12,4 18, Fö att ehålla god noggannhet i mätningen kävs att povena ha exakt passfom (toleans,1 mm) och passa in i povhållae utan att någa luftspingo uppstå. Povets yta skall vaa slät och placead vinkelätt mot vågledaens axel. Noggannheten i mätningana ä hög. Fö den koaxiala linjen bli mätosäkeheten < 1 % och fö ektanguläa vågledae bli mätosäkeheten < 5 %. Vissa mateial va exta svåt att beabeta, till exempel tegel, och man lyckades inte ta fam helt pefekta pove vilket ledde till att osäkeheten i mätningana blev höge. Fö mateialkaakteiseing genomfödes 2-potsmätninga (figu 5), som ge möjlighet att mäta amplitud och fas fö de eflekteade S-paametana, S 11 (ω) och S 22 (ω), och de tansmitteade S- paametana, S 21 (ω) och S 12 (ω),. d S 11 (ω) S 21 (ω) Z Z Z Figu 5. Povhållae med pov i 2-potsmätning. 13
Reduktionen av S-paametana till povets mateialpaameta baseas på att endast en egenmod (t ex TE 1, figu 6) existea i vågledaen. Fö att minska sannolikheten fö excitation av höge odningens mode använde man tunna pove. Föekomsten av höge mode kan man kontollea med hjälp av ett Smith-diagam som ska vaiea mjukt och kontinueligt nä en tansmissionsmod exciteas i vågledaen. Figu 6. Tansmissionsmod TE 1 i vågledae. Genom att lösa andvillkospoblemet i figu 5 kan S-paametana uttyckas på följande sett: S S 11 21 2 ( 1 T ) R ( ω ) = (1) 2 2 1 T R 2 ( 1 R ) T ( ω ) = (2) 2 2 1 T R Dä R ä eflektionskoefficient, Z Z R = Z + Z = μ μ ε 1 ε + 1 (3) och T ä tansmissionskoefficient, T jω c με d = e (4). Dä ω ä vågens vinkelfekvens, c ä ljushastigheten, Z ä impedansen fö vakuum, Z ä povets impedans, d ä povets tjocklek, ε = ε = ε jε ä elativ pemittivitet och ε μ μ = = μ jμ ä elativ pemeabilitet. μ o Fån ekvationena (1) (4) kan man se att u de expeimentellt bestämda S 11 (ω) och S 21 (ω) kan man beäkna ε och µ. Poblemet ä att lösningen lede till ekvatione av typ f(x) = x tanh x som i sin tu ha oändligt antal lösninga dä baa en lösning ha fysikaliskt betydelse. 14
Genom att välja povets tjocklek som man äkna i antal våglängde i povet, kan man begänsa antalet möjliga lösninga, t.ex. till två. Det kan dock fotfaande vaa svåt att bestämma vilken av de två lösningana som ä den ätta. I så fall ska man göa ytteligae en mätning med samma pov, men med en annan tjocklek. Den ätta lösningen ä den gemensamma lösningen fö de båda mätningana. Sammanfattningsvis kan man säga att man i vanliga fall baa behöve göa en mätning av ett pov (2- potsmätning) fö att mäta eflektead och tansmittead signal, och däefte beäkna både ε och µ. mλ p Tyvä ä lösningen matematiskt instabil om povets tjocklek d =, dä m 1 och λ 2 p ä våglängd i povet. Detta kan undvikas genom att fö vaje vågledae och vaje pov välja ätt povtjocklek. Detta kan, i sin tu, baa göas om man antingen i föväg ha någon uppfattning om λ povets mateialpaameta, eftesom λ p =, elle om man i föväg exakt vet antingen ε μ povets ε elle µ. 4.2.2 Mateialkaakteiseing i fiymd Fiymdsteknik ä en metod fö att veifiea panele utfomade som skikt vid höge fekvense. Metoden käve ingen kontakt, ä icke-destuktiv och används oftast fö stoa homogena skikt. Den käve inte speciellt pepaeade pove i jämföelse med mätningana i vågledae. Man kan även mäta på pove som inte ha plana yto. I våa mätninga användes mateialpove med en stolek om minst 3x3 cm. Fö att uppnå denna stolek hos tegel och täpanel placeades flea pove i ad bedvid vaanda. Schematisk bild av tansmissionslinje fö fiymdsmätninga pesenteas i Figu 7. Systemet kalibeades vid en mätning utan något testobjekt mellan antennena. Däefte placeades mateialpovet mellan sända- och mottagaantennen, och tansmissionen mättes. Fö att en plan våg ska infalla mot povet bö povet placeas på ett avstånd fån sändaantennen som ä stöe än, 2D 2 /λ, dä D ä den stösta dimensionen hos antennen. Å anda sidan vill man göa systemet så litet som möjligt fö att minska föluste. Låda av metall Sändaantenn Mottagaantenn Multiplikato Testobjekt Radaabsobeande mateial Detekto Skalä nätveksanalysato Figu 7. Tansmissionslinje fö fiymdsmätninga, fekvense 2-11 GHz. 15
I våt system ha även en metallåda belagd med adaabsobente placeats mellan povobjekt och mottagaantenn fö att undvika övehöningen mellan antennena samt eflektione utifån som negativt kan påveka vå signal. Mätosäkeheten hos denna mätmetod ligge på 5-1 %. Genom att vida mateialpovet 9 kan man ända polaisation i mätningen fån paallell till vinkelät elle tvätom. Med vinkelät polaisation menas fallet då den elektiska fältvekton E ä vinkelät mot det plan som definieas av mateialets nomalvekto n och den infallande vågens utbedningsvekto ExH. Med paallell polaisation menas fallet då den elektiska fältvekton E ä paallell med motsvaande plan. Infallsvinkel definieas som vinkel mellan nomalvekton n och det infallande fältets utbedningsvekto ExH. n n E E H ExH H ExH Vinkelät polaisation Paallell polaisation a) b) Figu 8. Definition av a) vinkelät och b) paallell polaisation, dä E ä elektisk och H ä magnetisk fältvekto och ExH utbedningsvekto. I den hä appoten nämns också paallell polaisation som vetikal polaisation och vinkelät polaisation som hoisontell polaisation. En skalä nätveksanalysato,wilton 54147A, användes fö mätninga med abetsfekvense mellan 1 MHz och 2 GHz. Fö att uppnå höge fekvense användes te olika multiplikatoe: 2x multiplikato 2 x (11-2) GHz = 22-4 GHz: 6x multiplikato A 6 x (7-12,5) GHz = 42-75 GHz 6x multiplikato B 6 x (15-18,33) GHz = 9-11 GHz Fån böjan användes en 6 x multiplikato (betecknad A) fö att täcka hela det öve fekvensintevallet 42-12 GHz, men mätesultaten i det högsta fekvensomådet avvek fån det föväntade. Vid en kontollmätning mot en plexiglasskiva, vas mateialpaameta och tjocklek ä kända, visade det sig att denna multiplikato geneeade felaktiga fekvense öve 75 GHz. Vid dessa fekvense genomfödes nämligen endast multiplikation med te (figu 9, sidan 17). Fö att få koekta mätesultat fö fekvense öve 75 GHz användes däfö en ny 6 x multiplikato (betecknad B) anpassad fö fekvensomådet 6 x (15-18,33) = 9-11 GHz. En eflektionsmätning med denna multiplikato på samma plexiglasskiva genomfödes och jämfödes med beäknad eflektion (figu 1), som visade att mätesultaten blev koekta. 16
-5 beäknad uppmätt -1 Reflektion (db) -15-2 -25-3 -35-4 4 5 6 7 8 9 1 11 12 Fekvens (GHz) Figu 9. Reflektion fö plexiglasskiva beäknad samt uppmätt med hjälp av 6 x multiplikato anpassad fö fekvensomådet 6 x (7-12,5) = 42-75 GHz. -5 beäknad uppmätt -1 Reflektion (db) -15-2 -25-3 -35-4 4 5 6 7 8 9 1 11 12 Fekvens (GHz) Figu 1. Reflektion fö plexiglasskiva beäknad samt uppmätt med hjälp av 6 x multiplikato anpassad fö fekvensomådet 6 x (15-18,33) = 9-11 GHz. Sammantaget, inklusive själva nätveksanalysaton, ge detta oss möjlighet att genomföa mätninga i fekvensomådet 2-11 GHz. 17
4.3 Mätesultat och beäkninga Eftesom mateialkaakteiseing i vågledae käve speciellt tillvekade mateialpove med exakt passfom, som dessutom ska bibehålla fomen, togs det baa fam någa pove av sådana mateial som va lämpliga. Det visade sig också att famtagning av pove fö vissa typ av mateial ä en kostsam pocess och detta ledde till att antalet pove begänsades. Fö tansmissionsmätninga i fiymd behövs det inga speciellt utfomade pove och däfö genomfödes dessa mätninga på ett betydligt stöe antal mateialpove. 4.3.1 Mateialkaakteiseing av byggmateial i vågledae Reflektion och tansmission fö fem olika byggmateial mättes upp i vågledae, vilka sedan användes fö att beäkna mateialens pemittivitet, den eella och den imaginäa delen 5, 6, 7. Resultaten pesenteas i tabell 2 dä vädet fö pemittiviteten ä medelvädet fö fekvensomådet,4-4 GHz. Mateial Tegel Täpanel Spånskiva Gipsskiva Minealull Relativ pemittivitet 3,97-j,35 2,66-j,111 2,224-j,13 2,311-j,23 1,56-j,1 Tabell 2. Beäknad pemittivitet fö byggmateial. Om man anta att pemittiviteten inte ändas nämnvät med fekvensen, kan pemittivitetsväden angivna i tabell 2 användas fö att beäkna eflektion och tansmission vid anda fekvense 5, 6, 7. I kommande figu 11-15 pesenteas esultaten fån beäkningana fö fekvensomådet 1-3 GHz. 18
-1 Reflektion/Tansmission (db) -2-3 -4-5 -6-7 Reflektion Tansmission -8 5 1 15 2 25 3 Fekvens (GHz) Figu 11. Reflektion/tansmission fö tegel, tjocklek 85 mm. -1 Reflektion/Tansmission (db) -2-3 -4-5 -6-7 Reflektion Tansmission -8 5 1 15 2 25 3 Fekvens (GHz) Figu 12. Reflektion/tansmission fö täpanel, tjocklek 22 mm. 19
-1 Reflektion/Tansmission (db) -2-3 -4-5 -6-7 Reflektion Tansmission -8 5 1 15 2 25 3 Fekvens (GHz) Figu 13. Reflektion/tansmission fö gipsskiva, tjocklek 12,5 mm. -1 Reflektion/Tansmission (db) -2-3 -4-5 -6-7 Reflektion Tansmission -8 5 1 15 2 25 3 Fekvens (GHz) Figu 14. Reflektion/tansmission fö spånskiva, tjocklek 22,5 mm. 2
-1 Reflektion/Tansmission (db) -2-3 -4-5 -6-7 Reflektion Tansmission -8 5 1 15 2 25 3 Fekvens (GHz) Figu 15. Reflektion/tansmission fö minealull, tjocklek 7 mm. 1 2-5 Tansmission (db) -1-15 -2 5 3 4-25 1 minealull d=7mm 2 gipsskiva d=12,5mm 3 täpanel d=22mm 4 spånskiva d=22,5mm 5 tegel d=85mm -3 2 4 6 8 1 12 Fekvens (GHz) Figu 16. Beäknad tansmission fö byggmateial. 21
I figu 16 på föegående sida pesenteas en sammanställning av tansmission beäknad fö nämnda byggmateial i fekvensomåde 1-12 GHz. Resultaten visa att minealull och gipsskiva ha hög tansmission medan tansmissionen fö spånskiva, täpanel och tegel minska dastiskt med höge fekvens. 4.3.2 Tansmissionsmätninga av byggmateial, emballage och textilie i fiymd Tansmission hos nio byggmateial, sex emballagemateial och två textilie mättes upp i fiymd. I figu 17 visas de mateial vas tansmission ha blivit uppmätt. Figu 17. Illustation av de mateial vas tansmission mättes upp. Fem av byggmateialen va desamma som kaakteiseats i vågledae: tegel, täpanel, spånskiva (tjocklek 22,5 mm), gipsskiva (tjocklek 12,5 mm) och minealull. De anda fya byggmateialen va masonit, glas, plywood och MDF täfibeskiva (Medium Density Fibeboad). Tansmission genom dubbel gipsskiva (tjocklek 12,5x2 mm) och tunnae spånskiva (tjocklek 12 mm) mättes också upp. Bland emballagemateialen i plast uppmättes plastpåse, föpackningsplast med luftbubblo och plastpäm samt anda emballagemateial som läde, katong och wellpapp. De två typena av textilie va mateialpov av skjota och jeans, båda av 1 % bomull. Resultaten av mätningana pesenteas på nästa sida i figu 18-21. Vid jämföelse av tansmissionsnivån fö olika mateial, skall hänsyn tas till olika db-skalo i figu 18-21. I figu 18 ä tansmissionen fö spånskiva, täpanel och tegel inte pesenteat fö fekvensena 9-11 GHz, på gund av att tansmissionen hamna unde busnivån, som i detta fall ligge mellan 2-25 db. 22
1 2-5 -1 Tansmission (db) -15-2 -25 5 3 4-3 1 minealull d=7 mm 6 2 gipsskiva d=12,5 mm 3 täpanel d=22 mm VV -35 4 spånskiva d=22 mm 5 täpanel d=22 mm HH 6 tegel d=85 mm -4 2 4 6 8 1 12 Fekvens (GHz) Figu 18. Tansmission fö byggmateial uppmätt i fiymd, dä d ä tjockleken, VV ä vetikal polaisation och HH ä hoisontal polaisation. Tansmission (db) -2-4 -6 6 7-8 1 gipsskiva d=12,5x2 mm 2 masonit d=3,5 mm 3 glas d=4,9 mm -1 4 plywood d=6,8 mm VV 5 plywood d=6,8 mm HH 6 MDF skiva d=16,4 mm 7 spånskiva d=12 mm -12 2 4 6 8 1 12 Fekvens (GHz) Figu 19. Tansmission fö byggmateial uppmätt i fiymd, dä d ä tjockleken, VV ä vetikal polaisation och HH ä hoisontal polaisation 1 2 3 4 5 23
Tansmission (db) -.5-1 -1.5-2 -2.5 1,2 3 4 5 6-3 1 plastpåse d=,4 mm 2 plast med luftbubblo d=5 mm 3 plastpäm d=,2 mm -3.5 4 läde d=1,5 mm 5 katong d=,6 mm 6 wellpapp d=4,3 mm -4 2 4 6 8 1 12 Fekvens (GHz) Figu 2. Tansmission fö emballagemateial uppmätt i fiymd, dä d ä tjockleken. -.1 -.2 1 Tansmission (db) -.3 -.4 -.5 -.6 -.7 -.8 2 -.9 1 skjota 1% bomull d=,46 mm 2 jeans 1% bomull d=,76 mm -1 2 4 6 8 1 12 Fekvens (GHz) Figu 21. Tansmission fö textilie uppmätt i fiymd, dä d ä tjockleken. 24
Tansmissionen hos byggmateial öveensstämme med den tansmission som beäknades fån mateialmätningana i vågledae (figu 18 och 16). Tansmission ä hög fö minealull, gipsskiva (även dubbel gipsskiva), masonite, glas och plywood medan den fö MDF-skiva, spånskiva, täpanel och tegel minska dastiskt med fekvensen (figu 18 och 19). Tansmissionen beo givetvis på tjockleken hos mateialpovet. Ju tjockae mateialpov desto läge ä tansmissionen. Detta kan konstateas om man jämfö mätninga fö enkel och dubbel gipsskiva samt fö spånskiva med tjocklek 12 mm och 22 mm. Fö täpanel och plywood ä det också av betydelse hu täfibena ä iktade i elation till det elektiska fältet. Tansmissionen ä höge om den elektiska fältvekton ä paallell med täfibena, och läge om den elektiska fältvekton ä vinkelät mot täfibena. En teoi kan vaa att täfibena ha höge dielekticitetskonstant och dominea i det anda fallet som lede till höge eflektion samt läge tansmission. Denna teoi måste dock pövas. Emballagemateial och textilie uppvisa geneellt en hög tansmission (figu 2, 21). Som tidigae nämnts beo tansmissionen inte baa på mateialets egenskape utan också på mateialets tjocklek, däfö ä tansmissionen olika fö samma typ av mateial av olika tjocklek. Exempel på det ä tansmissionen fån tyg av jeans och skjota, båda av 1 % bomull (figu 21), dä skjotan ä lite mea tanspaant på gund av minde tjocklek. Samma tendens se man hos, till exempel, plastmateial och pappe av olika tjocklek (figu 2). Man skall notea att alla mätninga genomfödes med toa mateial (nomal luftfuktighet). Fukt i mateialet lede till minskad tansmission. 4.3.3 Fuktighetsmätninga I vekligheten utsätts mateial fö fukt av olika slag. Det kan vaa olika luftfuktighet, egn och kläde utsätts även fö tanspiation. Detta esultea i att mateial komme att ha olika fuktighetsgad som påveka mateialets tansmissionsegenskape. Fö att få en uppfattning om hu mycket tansmissionsegenskapena påvekas av olika fuktighetsgad hos mateialet, genomfödes en mätseie dä man mätte tansmissionen genom läde med olika fuktighetsgad. Läde valdes eftesom det ä ett vanligt mateial fö tillvekning av väsko, sko och kläde, samt att man i litteatuen hitta något vaieande esultat gällande tansmissionsegenskape hos läde, något som möjligen beo på att det lätt absobea vatten. Fuktighetsgaden vid mätningana definieades enligt följande samband: fuktighet = ( 1 tovikt ) 1% vikt Dä vikt ä vikten hos det fuktiga lädepovet diekt vid mättillfälle och tovikt ä vikten hos samma lädepov i tot tillstånd. Fö att få fam mateialets tovikt genomfödes tokning av lädepovet i ugn unde någa daga vid tempeatuen ca 1 C. Resultat av tokningspocessen pesenteas i figu 22, på nästa sida. Det finns en bytpunkt i tokningspocessen dä det fömodligen ske en övegång fån den ena pocessen, dä viktminskning ske på gund av vattenavdunstning, till den anda pocessen, dä viktminskning ske på gund av kemiska föändinga i mateialet. Vikten vid denna bytpunkt definieades som povets tovikt. 25
Vikt, g 37 36 35 34 33 32 31 3 29 Povets tovikt 266.8g 28 27 26 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 Tid, tim Figu 22. Tokning av lädepovet i ugnen fö att definiea povets tovikt. Tansmissionsmätninga genom läde med olika fuktighetsgad genomfödes med hjälp av samma mätuppställning som pesenteas i figu 7. Mätningana genomfödes med jämna tidsintevalle medan lädet tokade i umstempeatu genom natulig avdunstning av vattnet. Tansmissionen mättes upp i fekvensomådet mellan 9-11 GHz. Sammanställning av mätesultaten fö fekvensena 9, 94, 16 och 11 GHz pesenteas i figu 23. -5 9 GHz 94 GHz 16 GHz 11 GHz Tansmission (db) -1-15 -2-25 -3 5 1 15 2 25 3 35 4 Fuktighet, % Figu 23. Tansmission genom läde med olika fuktighetsgad. 26
I enlighet med våa föväntninga minska tansmissionen med ökande fuktighetsgad. Mätosäkeheten i mätningana ligge på 5-1 % men bli höge ju nämae gänsfekvensen, 11 GHz, man komme samt ju höge fuktighetsgaden ä. Utgående fån det kan man da följande slutsatse: Tansmissionen minska med ökande fuktighetsgad. Pocessen ä något minde uttalad vid läge gad av fuktighet och bli me uttalad vid höge fuktighetsgad. Tansmissionsminskningen med ökande fuktighetsgad bli me uttalad ju höge upp i fekvens man komme. Något avvikande fån detta ä mätesultatet vid 11 GHz vilket fömodligen beo på att detta ä en mea osäke mätning jämföt med anda eftesom 11 GHz ä en gänsfekvens fö mätningen. 27
5 Slutsatse och ekommendatione Genomföda mätninga och beäkninga visa att läge fekvense kävs fö att uppnå tilläckligt hög penetation genom byggmateial. Riktigt låga fekvense kävs fö tilläckligt ba penetation genom yttevägga och något höge fekvense fö god penetation genom innevägga. Det beo delvis på att olika mateialsammansättninga används fö att bygga ytte- och innevägga samt på att yttevägga i allmänhet ä tjockae än innevägga. Tansmission hos anisotopa mateial, till exempel täpanel elle plywood, beo på polaisationen hos den infallande stålningen. Tansmissionen ä höge om den elektiska fältvekton ä paallell med anisotopiiktningen, och läge då den elektiska fältvekton ä vinkelätt mot anisotopiiktningen. Penetation genom emballagemateial och textilie ä hög även vid höga fekvense. Tansmission genom mateial beo också på mateialets fuktighetsgad. Ju höge vatteninnehåll desto läge bli tansmissionen. Minskning av tansmissionen med ökande fuktighetsgad ä påtaglig edan vid låga fukthalte. Däfö ä det viktigt att alltid ta hänsyn till fuktigheten i mateialet vid tansmissionsmätninga. Även betäffande fuktiga mateial ä det så att läge fekvense ge bätte penetation genom mateialet. Resultaten fån undesökningen visa att millimetevågo ä att föeda, nä man behöve se igenom vägga. I fallet med att se igenom emballage och kläde kan det vaa en födel att använda höge fekvense, till exempel i teahetzomådet, dä man ha höge ymdupplösning och möjlighet att få spektala signatue. Men även hä behöve man kompomissa mellan bildkvalité, paktiskt användbahet samt systemkostnade. Detta lede kanske tillbaka till millimetevågsbaseade system. Ett exempel kan vaa avbildning av spängämnen gömda unde kläde. Kontasten i bilden ges av kontasten mellan spängämne och hud. Om man gå höge upp i fekvens bli spängämnen me och me absobeande medan huden komme att eflektea me och me. Nä man plotta kontasten som funktion av fekvensen komme det att finnas en fekvens dä kontasten bli optimal. Denna fekvens tycks ligga i millimetevågsomådet. Fö att få bätte föståelse fö bildkontasten bode man fotsätta med denna typ av expeimentell veksamhet som pesenteas i den hä appoten. Man skulle dock behöva titta på, inte olika mateial va fö sig, utan i elation till vaanda, fö att kunna uppskatta kontasten. Denna typ av föståelse finns edan inom anda fekvensomåden. Liknande veksamhet bode etableas inom höge fekvensomåden, vilket skulle omfatta både beäkninga och expeimentella mätninga med ständig åtekoppling till vaanda. 28
6 Refeense 1. R. Appleby, Passive millimete-wave imaging and how it diffes fom teahetz imaging, Phil. Tans. R. Soc. Lond. A 362, 379-394, 24. 2. J. F. Fedeici, B. Schulkin, F. Huang, D. Gay, R. Baat, F. Oliveia & D. Zimdas, THz imaging and sensing fo secuity applications explosives, weapons and dugs, Second. Sci. Technol. 2, S266-S28, 25. 3. C. R. Ditchfield & T. S. England, Passive detection at Q band, RRE memoandum, no. 1124, 1955. 4. B. B. Hu & M. C. Nuss, Imaging with teahetz waves, Opt. Lett. 2, 1716-1718, 1995. 5. W. B. Wei, Automatic Measuement of Complex Dielectic Constant and Pemeability at Micowave Fequencies, IEEE, 62, 33, 1974. 6. N. J. Damaskos et al., The Invese Poblem fo Biaxial Mateials, IEEE MTT, 32, 4, 1984. 7. A. R. von Hipple, Dielectic Mateials and Applications, The MIT Pess, Cambidge, 1954. 8. K. J. Vinoy & R. M. Jha, Rada Absobing Mateials, Kluwe Academic Publishes, 1996. 9. K. Sato, T. Manabe, J. Polivka, T. Ihaa, Y. Kasashima & K. Yamaki, Measuement of the Complex Refactive Index of Concete at 57.5 GHz, IEEE Tansactions on Antennas and Popagation, Vol. 44, No. 1, 1996. 1. P. M. Alexande, Reflectivity of some mateials at 94 GHz, Intenational Jounal of Infaed and Millimete Waves, Vol. 2, No. 6, 1981. 11. L. L. Fasch, S. J. McLean & R. G. Olsen, Electomagnetic Popeties Of Dy and Wate Satuated Basalt Rock, 1-11 GHz, IEEE Tansactions on Geoscience and Remote Sensing, Vol. 36, No. 3, 1998. 29