Hochfrequenz-oder Mikrowellen-Reflexions-, Transmissions- oder Resonatoranordnungen sind bekannte Gebilde zur Ermittlung von Materialparametern bestimmter Proben und MeBguter, so z. B. der Dielektrizitatskonstante, der magnetischen Permeabilitat, des Wassergehalts oder der Dichte.

Transmissionsmessungen benötigen mit mindestens je einer Sende-und Empfangseinrichtung einen relativ hohen Aufwand, sind an bestimmte Probengeometrien und-abmabe gebunden, er- fordern zwingend die Zuganglichkeit der Probe von zwei Seiten und sind damit nur fur einen eingeschrankten Bereich von MeB- aufgaben geeignet.

Reflexionsmessungen erfordern nur die Probenzuganglichkeit von einer Seite und haben damit prinzipiell einen gr6Beren Anwen- dungsbereich. Es ergeben sich jedoch auch hier methodenspezi- fische Einschrankungen.

Eine bekannte Moglichkeit besteht darin, die Probe in das Ende eines Hohlleiters oder einer Koaxialleitung einzubringen, eine Messung des Reflexionsfaktors durchzufuhren und daraus die gesuchten Materialparameter zu ermitteln. Diese Methode setzt zwingend voraus, daß von Zeit zu Zeit diskrete Proben des zu untersuchenden Stoffes entnommen und entsprechend den geome- trischen Abmessungen des Hohlleiters in ihrer Form und Ober- flächenbeschaffenheit konditioniert werden, wodurch der Zeit- und Arbeitsaufwand zur Bestimmung der Materialparameter extrem ansteigt.

Fur förderbare Medien, insbesondere flussige Stoffe, ldbt sich fur online-Bestimmungen der Materialparameter Feuchte und Dielektrizitätskonstante auch die in DE 42 11 362 A1 be- schriebene Anordnung einer teilweise als Hohlleiter ausgefuhr- ten Rohrleitung verwenden, in der das Transmissions-oder Reflexionssignal ausgewertet wird. Auch hier muB aber die Probe in die Mikrowellen-Anordnung eingebracht werden.

In ahnlicher Art funktionieren Anordnungen auf der Grundlage des Resonator-Prinzips. Wie in der PCT-Anmeldung W091/12518 beschrieben, wird eine Probe entweder diskontinuierlich oder kontinuierlich in einen Resonator so eingebracht, dal3 die Feldlinien im Bereich der Probengrenzflache parallel zur Probe verlaufen und aus dessen Verstimmung oder Halbwertsbreiten- Anderung oder beiden Parametern der Wassergehalt bestimmt wird. Ein Nachteil dieser Anordnung liegt in der Notwendig- keit, das Meßgut direkt oder liber einen Bypass in den Resona- tor einzubringen. Eine Beschrankung fur die meßbaren Proben- graben und-geometrien ergibt sich aus der Notwendigkeit einer Parallelität zwischen Probengrenzflache und Feldlinien, deren Verlauf wiederum von der ProbengroBe und-geometrie beeinflußt wird, sowie aus der Anregung mehrerer Schwingungsmodi je nach ResonatorgroBe und-geometrie.

Wie in [Stuchly, M. A., Stuchly, S. S.: Coaxial line reflection method for measuring dielectric properties of biological sub- stances at radio and microwave frequencies-A review. IEEE

Trans. Instrum. Meas., vol. IM-29,1980, pp. 176-183] be- schrieben, wie eine Anordnung z. B. durch eine auf das Material aufgesetzte offene Koaxialleitung gebildet, bei der das Streu- feld einer elektromagnetischen Welle aus der offenen Flache zwischen AuBenleiter und Innenleiter der speisenden Koaxial- leitung ins Medium übergeht und anhand der Anderung des Refle- xionsfaktors am Eingang der Leitung Rückschlüsse auf die di- elektrischen Eigenschaften des Materials gezogen werden kon- nen. Der offenkundige Nachteil dieser Anordnung besteht in der geringen Apertur der Koaxialleitung und damit der geringen Reichweite des Streufeldes und der kleinen wechselwirkungs- flache mit dem in seinen Eigenschaften zu bestimmenden MeBgut.

Aufgrund des geringen Wechselwirkungvolumens hängt das MeB- signal sehr stark von der Oberflächenbeschaffenheit der Probe, lokalen Inhomogenitäten und dem Koppelspalt zur Probe ab, so daB die MeBgenauigkeit einer solchen Anordnung ohne aufwendige Probenvorbehandlung nur sehr beschrankt ist.

Eine elegante Moglichkeit zur Messung der Dielektrizitatskon- stante von Probenmaterialien wird in EP 0657733 A2 beschrie- ben. Jedoch hat auch die in dieser Schrift dargestellte Vor- richtung einige Nachteile: Die verwendeten HF-Resonatoren sind aufgrund ihres Aufbaus empfindlich gegenuber bei den meisten Anwendungen vorhandenen mechanischen Belastungen, so daB es zu einer Verstimmung derselben kommen kann und die MeBgenauigkeit der Anordnung darunter leidet. Weiterhin greift das Streufeld der Festkorperresonatoren nur relativ wenig in das in seiner Dielektrizitatskonstante zu bestimmende MeBgut ein, so daB eine Aussage uber die Dielektrizitatskonstante im wesentlichen nur fur die Oberfläche des MeBguts gemacht werden kann, nicht uber deren volume. Darüberhinaus ist die Anordnung nur mit relativ hohem mechanischen Aufwand herzustellen. Weitere Nach- teile des Verfahrens liegen in der fur beide Resonatoren beno- tigten groben MeBflache und der Empfindlichkeit gegenuber Unterschieden der Probeneigenschaften und Ankoppelbedingungen zwischen den Wechselwirkungsflachen beider Resonatoren.

Vielfach werden fur die Bestimmung der gewunschten Material-

parameter auch nichtresonante offene Leitungsanordnungen wie z. B. Mikro-Streifenleiter verwendet, die einseitig mit dem MeBgut in Verbindung gebracht werden und bei denen die Lei- tungsparameter Dämpfung und Phasenverschiebung zur Bestimmung der Materialparameter genutzt werden. Der Nachteil dieser Anordnungen besteht in der durch die geringen Abstande zwi- schen Hin-und Rückleitung bedingten geringen Reichweite des Feldes in das MeBgut hinein. Deshalb können Materialparameter nur in der unmittelbaren Umgebung der Leitung gemessen werden und es besteht eine sehr hohe Empfindlichkeit gegenüber der Beschaffenheit der Probenoberflache oder den Ankoppelbedingun- gen, so dal3 sich der Anwendungsbereich dieser Methode auf sehr glatte oder flussige und pastöse Proben beschrankt.

Eine weitere im wesentlichen fur Flussigkeiten, pastöse und körnige Substanzen nutzbare Anordnung im Zusammenhang mit einem Auswerteverfahren ist in DE 19520021 A1 beschrieben.

Hierbei wird eine einzelne Leitung, z. B. eine Paralleldraht- leitung, direkt in das MeBgut eingebracht, so dal3 das Meßgut das Leitungsdielektrikum bildet. Aus der Frequenzabhangigkeit des Reflektionsfaktors oder dem Abstand der meßbaren Resonanz- minima wird dann die Ausbreitungskonstante der Leitung oder die Dielektrizitatskonstante des MeBgutes berechnet. Die we- sentlichen Nachteile dieser Anordnung liegen darin, daB die Leitung direkt in das MeBgut eingebracht werden muB, so daß keine zerstörungsfreie Anwendung bei Festkorpern möglich ist, dal3 das Material die Leitungen eng ohne Luftspalt umschlieben muß und daB sich die Resonanzfrequenzen materialabhangig so stark andern, daB die Frequenzabhangigkeit der Materialeigen- schaften zu berucksichtigen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung und/oder Abbildung elektrischer, magnetischer sowie mittelbar hieraus ableitbarer Materialeigenschaften mittels hochfrequenter elektromagnetischer Schwingungen zu schaffen, die die erwähnten Beschränkungen vermeidet, eine verbesserte Tiefenwirksamkeit besitzt und in weiten Grenzen eine Anpassung der Oberflächengeometrie und der Meßempfindlichkeit an die zu

untersuchenden Proben gestattet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Kennzeichen der Ansprüche 1 und 32 in Verbindung mit einem dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren zur Berechnung der Materialparameter aus den gemessenen Resonator-oder Re- flexionskenngrößen gelöst. Vorteilhafte Ausfuhrungsformen sind in den Unteransprüchen aufgefuhrt.

Als Applikator wird entsprechend Anspruch 1 eine im ausge- werteten Frequenzbereich resonante Struktur aus miteinander gekoppelten Ein-oder Mehrleiterstrukturen bekannter Bauart benutzt, die zumindest im Bereich einiger der sich bei Reso- nanz auf den Strukturen ausbildenden Spannungsmaxima oder Ladungsschwerpunkte in Richtung des MeBobjektes offen und so angeordnet sind, daB das resultierende Uberlagerungsfeld ihrer Ladungsschwerpunkte an der Grenzflache zum MeBobjekt eine vorgegebene Feldgeometrie möglichst gut annahert. wird eine solche Leiterstruktur in der Nahe einer ihrer Reso- nanzfrequenzen elektrisch angeregt, bilden sich auf den gekop- pelten Leitungen stehende Wellen mit einer definierten lokalen Verteilung von gleich-und gegenphasig schwingenden Bereichen oder Spannungsmaxima aus, denen entsprechende Ladungsschwer- punkte zugeordnet werden konnen. Ist die Leitung im Bereich dieser Ladungsschwerpunkte offen, überlagert sich dem haupt- schlich im Innenraum zwischen Hin-und Rückleitung konzen- trierten elektromagnetischen Feld der einzelnen Leitungsab- schnitte ein weiterer, von zueinander gegenphasig schwingenden Leitungsbereichen verursachter Streufeldanteil.

Während die Leitungseigenschaften der Segmente, wie Ausbrei- tungskonstante und Wellenwiderstand, aufgrund der geringen Ausdehnung des leitungsgebundenen Feldanteils erst bei sehr geringen Entfernungen zwischen Applikator und MeBprobe beein- fluet werden, fuhrt das elektrische und magnetische Streufeld zwischen den gegenphasig schwingenden Bereichen schon bei wesentlich größeren Probenabständen zu auswertbaren Verschie-

bungen der Resonator-oder Reflexionskenngroen, beispiels- weise zu einer Verschiebung der Resonanzfrequenz, der Gute, der Impedanz oder des Reflexionsfaktors. Durch eine geeignete Applikatorgeometrie kann die Gewichtung beider Feldanteile so aufeinander abgestimmt werden, daß eine auswertbare proben- abhangige Verschiebung der Resonatorkenngrößen eintritt, ohne daß sich die Feldverteilung entlang der Leitung und damit auf der Applikatoroberflache grundlegend andert.

Die Reichweite des von den entgegengesetzten Ladungsschwer- punkten ausgehenden Streufeldes hängt dabei hauptsächlich von deren Abstand und den mit der Probe wechselwirkenden offenen Flachen ab, so daß es mit den beanspruchten Applikatorstruktu- ren durch eine zielgerichtete Veranderung dieses Abstandes bei ansonsten unveränderter Leitungslange und-dimensionierung, z. B. durch entsprechende Leitungsfuhrung, moglich ist, die Streufeldreichweite oder die MeBempfindlichkeit und damit den maximal möglichen Probenabstand sowie das Eindringvermogen in das Probenmaterial bei nahezu unveränderten Resonanzkenngrößen separat einzustellen.

Durch geeignete Verlegung mehrerer Leitungen oder die Auswahl und gegenseitige Positionierung der zum Meßobjekt offenen Ladungsschwerpunkte ist es dabei moglich, eine vorgegebene Ladungsverteilung in der Nähe des Applikators oder auf der Oberfläche des MeBobjektes anzunahern. Diese Annaherung kann umso besser erreicht werden, je feiner und zahlreicher die resonanten Leitungssegmente gewählt werden.

Auf diese Weise läßt sich ein Satz von speziell an bestimmte MeBaufgaben oder Proben angepaßten Applikatoren mit unter- schiedlichen MeBbereichen, MeBempfindlichkeiten, Feldreich- weiten oder Eindringtiefen bei nahezu identischen Resonanz- kennwerten erstellen, der die Losung vielfältiger MeBaufgaben mit derselben HochfrequenzmeBeinrichtung und allen Folgebau- gruppen und mit demselben Auswertungsalgorithmus gestattet.

Die Resonanz-oder Reflexionskennwerte des Resonators oder

ihre Anderungen bei Annaherung einer MeBprobe bis zu einem vorgegebenen Abstand werden mit einer der im verwendeten Fre- quenzbereich üblichen Meßanordnungen (Reflektometer, Richt- koppler, Phasen-oder Quadraturdetektor, Vektorvoltmeter, Netzwerkanalysator, Wobbelmeßplatz) bei einer oder bei mehre- ren Frequenzen ermittelt. Aus den probenabhangigen Anderungen der Resonatorkenngrößen werden gegebenenfalls nach Ana- log/Digital-Wandlung mit Hilfe eines Mikrorechners oder-con- trollers durch Simulationsrechnungen, durch Anpassung an ein geeignetes physikalisches Modell oder durch Interpolation mittels einer Anzahl von Stutzstellen, die aus Vergleichs- messungen von Probennormalen mit bekannten Eigenschaften ge- wonnen wurden, die interessierenden Materialparameter wie die Dielektrizitatskonstante, die magnetische Permeabilitat oder die Materialfeuchte berechnet und angezeigt.

Anspruch 2 beschreibt eine Ausfuhrungsmoglichkeit der Resona- toren, die dadurch gekennzeichnet ist, daB die Rückleitungen der resonanten Leitungs-und leitfähigen Flachenelemente mit ihrem überwiegenden Flachenanteil, ihren Berandungen oder ihren Einhüllenden auf einer gemeinsamen Flache angeordnet sind. Vorzugsweise dienen hierzu Planarleitungen auf den in der HF-Technik üblichen Leiterplattensubstraten mit oder ohne Luftspalt zur Rückseitenmetallisierung oder Draht-oder Band- leitungen uber einer gemeinsamen leitfähigen Flache, bei- spielsweise einer Metallplatte,-folie oder einem leitfähig beschichteten Formkorper. Hierbei bilden die Ruckseitenmetal- lisierung oder die leitfähige Flache zugleich die gemeinsame Bezugsflache. Wird der Rückleiter nicht als geschlossene Fla- che sondern als Gitter-oder Netzstruktur ausgefuhrt, so bil- det deren Einhüllende die gemeinsame Bezugsflache. Die Lei- tungsstrukturen können weitgehend gerade oder mit spezieller Krümmung ausgefuhrt sein, vorzugsweise mit einer probenzuge- wandten Seite naherungsweise parallel zur Probenoberflache.

Zur Verringerung von rauhigkeitsbedingten Oberflacheneffekten an praktisch relevanten Proben (z. B. keramische Bauteile, Baukorper, körnige Substanzen) ist ein möglichst gober Pro-

benabstand bei ausreichender MeBempfindlichkeit wunschenswert.

AuBerdem sollten Messungen an granularen und inhomogen zu- sammengesetzten Proben integral uber ein größeres Probenvolu- men erfolgen. Diesen Anforderungen können nur Resonatoren mit einer möglichst groben Feldreichweite oder einem groBen Ab- stand der entgegengesetzten Ladungsschwerpunkte gerecht wer- den. Eine Grenze ist hierbei durch die halbe Wellenlänge auf den verwendeten Leitungsabschnitten gegeben, die durch Wahl eines Leitungsdielektrikums mit niedriger Dielektrizitatskon- stante und Permeabilitat, z. B. Luft, maximal bis zu den Frei- raumgrößen ausgedehnt werden kann.

Eine beliebig geformte Resonatoranordnung besitzt im allgemei- nen ein von Null verschiedenes Dipolmoment, d. h. die Feld- anteile der gegenphasig schwingenden Leitungsabschnitte kom- pensieren sich im Fernfeld nicht vollständig, und es kommt insbesondere bei weit auseinanderliegenden Ladungsschwerpunk- ten zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen. Diese Wellen werden an den Probengrenzflachen reflektiert und wechselwirken wiederum mit dem Applikator, so daB es insbesondere bei klei- nen Proben zu schwer kalkulierbaren Einflüssen der Proben- geometrie auf das MeBergebnis kommen kann. Während die latera- len Probenabmessungen meist genugend grob gewählt werden kon- nen, unterliegt die Probendicke oftmals Beschrankungen (z. B. bei Platten, Wanden, Schichtmaterialien).

Zur dickenunabhangigen Messung der Materialparameter ist des- halb vor allem bei lateral ausgedehnten Resonatoren eine Kom- pensation der Dipolmomente notwendig. Vorteilhafte Anordnungen zur erfindungsgemäßen Kompensation dieser Diopolmomente werden in den Anspruchen 3 und 4 beschrieben. Hierbei handelt es sich einerseits um gleichphasig erregte spiegelsymmetrische oder gegenphasig erregte antisymmetrische Resonatorstrukturen, deren Dipolmomente senkrecht zur Spiegelebene sich gerade kompensieren und andererseits um radialsymmetrische Struktu- ren, deren Dipolmomente sich fur geradzahlige Drehachsen in Richtung derselben vollständig kompensieren, fur ungeradzah- lige Drehachsen mit steigender Zahl immer besser kompensieren.

Die Ansprüche 5-8 beschreiben vorteilhafte Realisierungsmog- lichkeiten der Leitungsresonatoren, z. B. in Form elektrisch leerlaufender (2n+1) A/4- oder kurzgeschlossener nA/2-Leitungen Leitungswellenlange, n naturliche Zahl), die vorzugsweise dann eingesetzt werden, wenn nur Ladungsschwerpunkte einer Polarität benötigt werden. Kurzgeschlossene Leitungen oder Leitungsringe, deren Lange einem halbzahligen Vielfachen der Wellenlänge entspricht, enthalten mehrere Ladungsschwerpunkte mit alternierender Polaritat. Durch Leitungsabschluß mit de- finierten Widerständen oder einem Serienwiderstand im An- schlußpunkt läßt sich die Grundgüte der Resonatoren bei Bedarf verringern, so daB sich die Resonanzpeaks verbreitern.

Anspruch 9 beschreibt eine Ausfuhrungsvariante in Form von mit Elektrodenflachen oder-korpern am Ende kapazitiv belasteten, abgeschirmten Leitungen, bei der die Leitungseigenschaften und die Wechselwirkung der Ladungsschwerpunkte mit dem MeBobjekt voneinander völlig unabhangig sind. Hierdurch ergibt sich eine nur von den Elektrodenflachen oder den Oberflächen der Elek- trodenkörper abhangige Feldgeometrie, die einer theoretischen Modellierung zugänglich ist und damit standardlose Absolut- messungen gestattet.

Anspruch 10 beschreibt eine Moglichkeit, die Ein-und Aus- gangsimpedanzen der Resonatoren und der Hochfrequenz-MeBein- richtung so aufeinander abzustimmen, daB eine definierte elek- trische Anpassung oder ein definierter Koppelfaktor erreicht wird. Hierzu dienen fest mit den Resonatoren verbundene, in den Applikator integrierte Anpassungsnetzwerke aus konzen- trierten Bauelementen oder Leitungen, im einfachsten Fall parallel oder in Reihe geschaltete offene oder kurzgeschlosse- ne Leitungsstücke.

Anspruch 11 beschreibt Resonatoren mit nur einem Anschlußpunkt in Form eines elektrischen Eintores, die relativ einfach her- stellbar sind und eine Messung der Resonanzkenngrößen in Re- flexion mit relativ geringem Aufwand gestatten.

Anspruch 12 beschreibt Transmissionsresonatoren mit einem oder mit mehreren resonanten Zweigen in Form eines elektrischen Zwei-oder Mehrtores, die neben einer Auswertung der Re- flexionskenngrößen auch noch eine Messung der Transmissions- kenngrößenermöglichen.

Anspruch 13 beschreibt Resonatoren, deren elektrisches AuBen- feld hauptsächlich in einer Ebene senkrecht zur Probenober- flache verläuft und die somit durch Applikatordrehung eine Messung von Anisotropieeigenschaften gestatten.

Anspruch 14 beschreibt eine Anordnung von mindestens drei derartigen anisotropen Resonatoren in drei verschiedenen Rich- tungen in Form von gemeinsam gespeisten Transmissionsresonato- ren, aus deren gleichzeitig oder uber einen Multiplexer se- quentiell gemessenen Transmissionskenngrößen die Anisotropie- eigenschaften der Probe ohne Applikatordrehung berechnet wer- den konnen. Das ist moglich, da sich die Richtungsverteilung anisotroper Probeneigenschaften innerhalb der Wechselwirkungs- flache als Ellipse beschreiben last, deren Verlauf durch drei Punkte in verschiedenen Richtungen vollständig bestimmt ist.

Die Anspruche 15 und 16 beschreiben hochsymmetrische oder speziell probenangepaßte Oberflächenformen der Leitungsresona- toren, die je nach Probengestalt eine fur die Messung gunstige Feldgeometrie sichern.

Anspruch 17 zeigt eine konstruktiv besonders einfach herstell- bare Resonatorform, bei der eine durchgehende leitfähige Fla- che, beispielsweise ein Metallblech oder ein metallisiertes Leiterplattensubstrat den gemeinsamen Rückleiter aller Lei- tungsstucke bildet und gleichzeitig zu deren mechanischer Befestigung herangezogen werden kann.

Anspruch 18 beschreibt vorteilhaft einsetzbare Moglichkeiten zur Gewährleistung eines definierten Abstandes zwischen der MeBprobe und den Resonatorelektroden durch Distanzkorper wie Ringe oder Scheiben oder durch direktes Aufsetzen entsprechend

ausgeformter Resonatorbereiche.

Anspruch 19 zeigt eine Moglichkeit zur Erhohung der Kopplung zwischen Probe und Applikator durch eine Vergrößerung der Koppelflachen oder eine Abstandsverringerung in den Ladungs- schwerpunkten als den fur den MeBeffekt wichtigsten Wechsel- wirkungsbereichen oder durch die Kombination beider Moglich- keiten.

Der in Anspruch 20 beschriebe Applikator mit Andruckvorrich- tung schafft reproduzierbare Bedingungen fur die Ankopplung an die MeBprobe und eliminiert besonders bei geringen Koppel- spalten oder beim direkten Aufsetzen bemerkbare Instabilitäten des MeBergebnisses durch wechselnden Anpreßdruck, Verkanten o. a.

Eine in Anspruch 21 beschriebene dielektrische Hulle dient dem Schutz des Applikators vor mechanischen Beschadigungen, ver- bessert u. U. die Ankopplung an das MeBgut und verhindert bei flussigen, pastösen oder körnigen Proben ein Eindringen des MeBgutes in die Leitungsstrukturen.

Anspruch 22 beschreibt einen Einstich-oder Eintauchapplikator fur Messungen an festen, flussigen, pastösen oder körnigen Substanzen. Hierbei werden die resonanten Leitungssegmente des Applikators zweckmäßig auf einer konvexen Flache, z. B. auf dem Mantel eines dünnen Zylinders oder schlanken Kegels angeord- net. Je nach verwendetem Leitungstyp und Probenart kann außer- dem eine dielektrische Hulle zweckmäßig sein, die ein Ein- dringen des Mediums in die Leitungszwischenraume verhindert.

In Bohrlöchern fester Stoffe kann der Applikator je nach ge- wunschter Dauerhaftigkeit durch blouses Einschieben, Klemmen, Kleben, Eingipsen, Einschrauben oder Einschlagen, beispiels- weise unter Zuhilfenahme von Spreizdubeln, fixiert werden.

Anspruch 23 beschreibt eine spezielle Applikatorform mit ver- besserter Ankopplung an rauhe oder nicht zur Applikatorvorder- flache parallele Proben mit Hilfe eines auf der probenzuge-

wandten Seite des Applikators aufgebrachten leicht deformier- baren Dielektrikums, das bei entsprechendem Andruck den Zwi- schenraum zwischen Resonator (en) und MeBobjekt im meßwirksamen Bereich homogen ausfullt. Hierzu können flussige, plastische, schmelzbare, thixotrope oder feinkörnige Materialien mit an das MeBobjekt angepaßter Dielektrizitatskonstante und gegen- uber dem MeBgut vernachlassigbaren dielektrischen Verlusten in einer flexiblen Umhullung, verwendet werden, z. B. in Form eines Schmelzklebers, eines flussigkeitsgefullten elastischen Kissens auf der Vorderfläche des Applikators oder einer weich- plastischen Spreizhulle zum Festklemmen des Applikators in einem Bohrloch.

Anspruch 24 beschreibt Ausfuhrungsformen fur die Leitungs- stucke der Resonatoren. Hierzu kommen, je nach gewunschten Leitungskenngrößen und Feldverteilungen, nahezu alle bekannten Zwei-und Mehrleiteranordnungen, wie Planarleitungen auf di- elektrischen Substraten mit und ohne Luftspalt, ein-oder mehradrige Draht-und Bandleitungen, uber Masseflachen, in Nuten oder als geschlitzte Koaxialleitungen in Frage, wie aus den Ausführungsbeispielen ersichtlich wird. AuBerdem ist auch eine Kombination verschiedener dieser Leitungstypen sowie eine gezielte kontinuierliche oder stufenweise Anderung der Leiter- abmessungen und-abstande langs der Leitungsstücke vorgesehen.

Anspruch 25 spezifiziert eine besondere Klasse von Resonato- ren, die aus geometrisch regelmäßig oder unregelmäßig berande- ten flächigen Leitungselementen bestehen. Sie können bei- spielsweise auf den in der Hochfrequenztechnik üblichen di- elektrischen Substraten mit oder ohne Luftspalt, in Form von selbsttragenden leitfähigen Flachen wie z. B. Blechen, Plat- ten, Netzen oder als leitfähig beschichtete dielektrische Formkorper realisiert sein.

Die Ansprüche 26-28 beschreiben fur Messungen an nicht pla- naren Proben geeignete Applikatorformen, die aus Planarleitun- gen auf einem flexiblen dielektrischen Substrat in Kombination mit einer flächig wirkenden Andruckvorrrichtung bestehen. Der

Andruck kann z. B. mit einem feder-oder gewichtsbelasteten Stempel mit einer elastischen Unterlage oder einem hydrosta- tisch wirkenden flussigkeitsgefullten Druckverteilungskissen oder einer Druckmanschette bei rohr-oder stabformigen Proben realisiert werden. Weitere Moglichkeiten sind die Verwendung von Adhasivfilmen oder Klebefolien und die Vakuumansaugung mittels in den Applikator integrierter Saugkanale. Bei aus- reichender Flexibilität des Applikators oder nicht zu geringen Krümmungsradien wird so ein gut reproduzierbarer vollflachiger Probenkontakt erreicht.

Die Ansprüche 29-32 beschreiben Komplettmeßgeräte oder system- fahige intelligente Sensorkomponenten, bei denen ein MeBappli- kator entsprechend den Anspruchen 1-28 konstruktiv mit ande- ren zur Messung benötigten Baugruppen derart verbunden ist, daB sich gegenuber einer reinen Kombination mit einer separa- ten HochfrequenzmeBeinrichtung wesentliche funktionelle und handhabungstechnische Verbesserungen sowie herstellungstech- nische Vereinfachungen oder eine Reduzierung des Gesamtauf- wandes ergeben.

Entsprechend Anspruch 31 wird die Hochfrequenz-MeBanordnung ganz oder teilweise mit dem Applikator zu einer Baueinheit in Form eines MeBkopfes oder MeBkopfteiles zusammengefaßt, wah- rend die restlichen Teile der Hochfrequenz-MeBanordnung, der Mikrorechner oder-controller und die Anzeigeeinrichtung in einem Gehäuse zu einem Hand-oder Tischgerat vereinigt werden.

Hierdurch wird innerhalb der besonders kritischen Hochfre- quenzleitungen direkt zu den Resonatoren eine extreme Verkur- zung erreicht und erforderlichenfalls notwendige Steckverbin- dungen oder Verbindungsleitungen können zu weniger empfindli- chen Leitungsabschnitten verschoben werden. Damit können ins- besondere bei breitbandigen Messungen die MeBgenauigkeit ge- steigert und aufwendige Korrekturrechnungen vermieden werden.

Die Ausführungsform mit loubar verbundenem Applikator nach Anspruch 30 gestattet eine Verwendung von auf spezielle MeB- aufgaben zugeschnittenen Wechselapplikatoren an demselben

Grundgerat, was dessen Einsatzbereich wesentlich erweitert.

Weitere vorteilhafte Moglichkeiten sind gemäß Anspruch 31 die Integration aller Baugruppen in einem Kompaktgerat oder nach Anspruch 32 in einem intelligenten Sensor mit zusatzlich ein- gebautem Schnittstellenmodul zur Ubertragung der MeBergebnisse und erforderlichenfalls zur Steuerung des MeBablaufs uber einen Zentralrechner.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausfuhrungsbei- spieles naher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine Frontansicht eines erfindungsgemäßen Applikators, Fig. 2 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Applika- tor, Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Resonator, Fig. 4 ein Schema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 5 eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Kompaktmeß- gerates mit abgenommener Abdeckplatte, Fig. 6 eine Rückansicht des Kompaktmeßgerätes gemäß Fig. 5, Fig. 7 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Ein- stichapplikator und Fig. 8 einen Langsschnitt durch den Einstichapplikator gemäß Fig. 7.

Fig. 1 und 2 zeigen einen sehr einfach aufgebauten Applikator 1 zur Dichtemessung in Schaumstoffplatten, der aufgrund der geringen auftretenden Dielektrizitatskonstanten direkt auf das Meßobjekt 2 aufgesetzt wird.

Der den Applikator 1 bildende Streifenleitungsresonator 3 aus sechs gleichmäßig uber den Umfang verteilten, im Speisepunkt parallelgeschalteten A/2-Leiterzugbogen 4 ist auf einem kon- ventionellen ruckseitenmetallisierten Leiterplattensubstrat mit Glasfaserverstärkung aufgebaut.

Der Anschluß erfolgt koaxial, wobei der Innenleiter zentrisch uber eine Durchkontaktierung von der Masseseite herangefuhrt und der AuBenleiter auf der Massefläche fest verlötet wird.

Parallel zum Innenleiter ist eine KurzschluBleitung zur Impe- danztransformation ebenfalls mit der Massefläche verlotet, wodurch eine Verbesserung der Anpassung erreicht wird.

Bei Speisung des Applikators in der Nähe der Resonanzfrequenz bilden sich im mittleren Bereich der Leiterbogen 4 gleichpha- sige Ladungsschwerpunkte aus, so daß insgesamt verteilt uber die gesamte Applikatorflache eine ringartige Feldverteilung mit im wesentlichen radialen elektrischen Feldkomponenten entsteht.

Zur elektrischen Abschirmung und mechanischen Fixierung ist der Resonator 3 frontbundig in eine Metallkappe 5 eingeklebt, die auch die Fixierung des AnschluBkabels 6 ubernimmt.

Fig. 3 und 4 zeigt eine Variante der Erfindung als wahlweise handbedienbares oder uber einen Zentralrechner fernsteuerbares Komplettgerat zur Messung dielektrischer Materialeigenschaften von Plastwerkstoffen bestehend aus einem durch einen Draht elektrisch kontaktierten Streifenlei- tungsresonator 3 auf einem dielektrischen Substrat mit Ruck- seitenmetallisierung, der zusammen mit einem am Resonator 3 fest angeschlossenen Mikrowellen-Reflektometer 7 zur Bestim- mung des frequenzabhangigen Reflektionsfaktors des Resonators 3 im Bereich zwischen 2 und 3 GHz fest in ein metallisches Applikatorgehäuse 5 eingeklebt ist, einer als Meßobjekt 2 dienenden Plastikplatte, auf die das Applikatorgehäuse 5 direkt aufgesetzt ist, so daB das Streu-

feld des Resonators 3 in die Scheibe eindringt, einem Mikrocontroller 9, der aus der Frequenzabhangigkeit des Reflexionsfaktors nach bekannten mathematischen Algorithmen die interessierenden Materialparameter berechnet, einer Speicher-, und Anzeigeeinrichtung in Form eines mit dem Mikrocontroller 9 gekoppelten Speicherschaltkreises 10 und einer LCD-Punktmatrix-Anzeige 11 zur Speicherung und Anzeige der berechneten Materialparameter, einer Folientastatur 12 zur Geratesteuerung und Auslosung der Messung sowie einer seriellen Schnittstelle 13 zum AnschluB eines externen nicht naher dargestellten Steuerrechners.

Der Streifenleitungsresonator 3 ist hierbei entsprechend Fig.

3 als kapazitiv gekoppelter, symmetrischer Doppel-Ring mit einer Umfangslange von 6 cm aufgebaut, so daß sich bei einer Dielektrizitatskonstante des Streifenleitungssubstrats von ca.

4 eine Resonanzfrequenz in der Nähe von 2,5 GHz ergibt. Zur Erzielung eines gunstigen Wechselwirkungsabstandes ist der Resonator 3 einige mm zuruckgesetzt in das Applikatorgehause 5 eingeklebt.

Durch die symmetrische Form schwingen jeweils die Innen-und AuBenbereiche der Ringe gegeneinander, und in Probenrichtung tritt kein resultierendes Dipolmoment auf, bzw. es erfolgt keine Abstrahlung von Mikrowellen.

Das Applikatorgehause 5 ist uber ein Kabel 14 mit lösbarer Steckverbindung mit den restlichen, in einem separaten Handge- rat 15 integrierten Baugruppen verbunden.

Durch das Vorhandensein sowohl einer Tastatur 12 als auch einer seriellen Schnittstelle 13 ist wahlweise eine lokale Bedienung oder eine Steuerung des Meßablaufes liber einen Zen- tralrechner möglich.

Die Steckverbindung zwischen Applikator 1 und Handgerat 15 ermöglicht den wahlweisen Betrieb verschiedener, auf bestimmte MeBprobleme, Materialarten und Probengeometrien zugeschnitte- ner Applikatoren 1 an demselben Handgerat 15, so daß sich der Einsatzbereich stark erweitert.

Fig. 5 und 6 zeigen eine weitere vorteilhafte Ausfuhrungs- variante der Erfindung in Form eines Kompaktmeßgerätes zur Feuchtigkeitsmessung in Bauwerken bestehend aus einem Zweifach-A-Resonator in Form eines aus Cu-Blech ausge- frasten Leiterringes 17 mit Koppelsteg 18, angeordnet uber einer geschlossenen Masseflache in Form des zylindrisch ausge- drehten metallischen Applikatorgehauses 5, einer dielektrischen Abdeckplatte aus dem glasfaserverstarkten Leiterplattendielektrikum FR4, die das Applikatorgehause 5 gleichzeitig feuchtigkeitsdicht verschließt, einer massiven Wand als MeBprobe, auf die das Applikatorgehau- se 5 mit drei in den Gehäuserand eingepreßten Distanzstiften 19 direkt aufsetzt, einem kapazitiv gekoppelten nicht naher dargestellten Dioden- detektor und einem Mikrocontroller 9 mit integrierten Ana- log/Digital-Wandler, der aus der bei einer Festfrequenz gemes- senen Detektorspannung einen Feuchteindex berechnet, einer in die ruckseitige Gehäuseabdeckung integrierten Leucht- diodenzeile als Anzeige 11 und einer ebenfalls in die Rucksei- te integrierten Folientaste 12 zum Auslösen der Messung.

Die entsprechend der Abbildung ausgefraste Cu-Ringstruktur mit einem Umfang in der Größenordnung der doppelten Wellenlange wird durch zwei gleichzeitig als Massekontaktierung dienende beidseitig vernietete Stifte 21 im Abstand von ca. 0,5 cm uber dem plan ausgedrehten Gehäusegrund fixiert. Damit erhält man zwei symmetrische beidseitig kurzgeschlossene Vollwellenreso-

natoren, auf denen sich jeweils in den im Querschnitt ver- breiterten Bereichen zwei gegenphasige Ladungsschwerpunkte herausbilden. Die Speisung beider Ringhalften des Resonators erfolgt ebenfalls symmetrisch uber den Koppelsteg 18, so daB sich entlang des Ringumfangs alternierende Polaritaten ein- stellen und im Fernfeld eine vollständige Kompensation der Dipolanteile eintritt.

Der Betrieb des Resonators erfolgt bei einer Festfrequenz auf der Flanke der Resonanzkurve unterhalb der Resonanzfrequenz.

Eine probenabhangige Verschiebung der Resonanzkenngrößen führt dann zu einer Anderung des Resonator-Transmissionsgrades zum Diodendetektor.

Der Diodendetektor wird kapazitiv unterhalb des Ringes 17 uber einen mit einer Schraube justierbaren, isoliert durch einen Gehauseboden gefuhrten Koppelstift 22 in der Nahe eines der Ladungsschwerpunkte angekoppelt.

Die übrigen Baugruppen sind gemeinsam auf der Ruckseite des Applikatorgehäuses 5 unter einer griffgunstig ausgeformten Plastikabdeckung untergebracht Fig. 7 und 8 zeigen einen Einstichapplikator mit dielektri- scher Hulle bestehend aus einem metallischen Sechskantrohr 23 als mechanischem Trager, auf dessen sechs Flachen jeweils schmale Streifen eines kon- ventionellen beidseitig metallisierten Leiterplattensubstrats 24 leitfähig aufgeklebt sind.

Das Sechskantrohr 26 wird durch Kleben oder Loten uber eine Bodenplatte 20 elektrisch mit dem Außenleiter eines teilweise eingeschobenen koaxialen AnschluBkabels 25 verbunden.

Die den eigentlichen Resonator bildenden Leiterplattensub- stratstreifen 24 mit einer Lange von annahernd 3A/2 sind an beiden Enden kurzgeschlossen und werden in der Nahe eines

dieser Kurzschlüsse vom Rohrinneren her elektrisch kontak- tiert. Der elektrische AnschluB erfolgt mittels isoliert durch die Rückseitenmetallisierung und das Sechskantrohr 23 gefuhrter Drahte 26, die die AuBenmetallisierungen in einem gemeinsamen AnschluBpunkt mit dem Innenleiter eines AnschluB- kabels 25 verbinden.

Bei Speisung mit der Resonanzfrequenz bilden sich auf den Außenleitern jeweils A/4 von den Kurzschlüssen und A/2 vonein- ander entfernt Ladungsschwerpunkte mit alternierender Polari- tät aus, deren Streufeld ein nahezu rotationssymetrisches Wechselwirkungsvolumen rings um den Applikator 1 erfaßt.

Die gesamte Konstruktion wird durch eine aufgeschobene Teflon- hulle 27 mechanisch geschutzt. Gleichzeitig wird das Eindrin- gen des MeBgutes zwischen die Leiterstreifen 24 bzw. in den leitungsgebundenen Feldbereich verhindert, so dal3 sich die Ausbreitungseigenschaften auf der Leitung kaum andern und die Wechselwirkung mit der Probe praktisch nur durch das ausge- dehnte Streufeld zwischen den Ladungsschwerpunkten durch die Teflonhulle 27 hindurch stattfindet.

Bezugszeichenliste 1 Applikator 2 MeBobjekt 3 Resonator 4 Leiterzugbogen 5 Metallkappe, Applikatorgehause 6 AnschluBkabel 7 Reflektometer 9 Mikrocontroller 10 Speicherschaltkreis 11 Anzeige 12 Folientastatur 13 serielle Schnittstelle 14 Kabel<BR> 15 Handgerat<BR> 17 Leiterring 18 Koppelsteg 19 Distanzstift 20 Bodenplatte 21 Nietstift 22 Koppelstift 23 Sechskantrohr 24 metallisiertes Leiterplattensubstrat 25 Anschlußkabel 26 Draht 27 Teflonhülle