X-band transmission analyzer with multi antenna control

Abstract

Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf und Bau eines Messsystems zur zerstörungsfreien Materialprüfung von Brettschichthölzern mittels Mikrowellen im X-Band. Dazu wird eine Probe mit Mikrowellen aus verschiedenen Winkeln durchstrahlt und die resultierenden Dämpfungen orts- und polarisationsabhängig gemessen. Auf Basis dieser Daten ist es möglich auf den inneren Aufbau der Probe, insbesondere auf die dreidimensionale Orientierung der Holzfaser, rückzuschließen. Für den Aufbau eines Prototyps wurde ein System konzipiert, welches den Anforderungen der holzverarbeitenden Industrie in Hinblick auf Robustheit und Messgeschwindigkeit gerecht wird, ohne dabei die Herstellungskosten außer Acht zu lassen. Alle enthaltenen Komponenten wurden dazu konsequent auf den Anwendungsfall der Holzfasermessung abgestimmt. Der Prototyp erzeugt hierzu die notwendigen Mikrowellensignale in seiner zentralen Mess- und Steuereinheit und sendet diese über abgesetzt angeordnete Antennenmodule aus. An der anderen Seite der Holzprobe werden die Signale mittels mehrerer Antennen empfangen und durch die Mess- und Steuereinheit in eine Folge von digital aufbereiteten Dämpfungswerten umgewandelt. Um die geforderte Orts- und Polarisationsauflösung zu erzielen, bestehen die Antennenmodule aus einer Vielzahl von Einzelantennen welche durch die Mess- und Steuereinheit selektiert werden. Das realisierte Messsystem ermöglicht die Erfassung von rund hunderttausend Dämpfungswerten pro Sekunde. Trotz einer absichtlich klein gewählten Sendeleistung (kleiner als 100 µW) konnte ein Signal-Rauschabstand besser als 40 dB erzielt werden.<br />Bevor der Prototyp hergestellt werden konnte musste eine große Auswahl vielversprechender Schaltungsentwürfe simuliert und mit der Hilfe von "Rapid Prototyping" Fertigungsmethoden realisiert werden. Jeder dieser Entwürfe wurde gemessen und weiter optimiert. Die Entwürfe mit den besten elektrischen Eigenschaften, wurden in das finale Design übernommen und in einem industriellen Prozess gefertigt. Abschließend wurde die Funktionalität dieses Prototypens verifiziert und alle relevanten Systemparameter vermessen.<br />Der hergestellte Prototyp zeigt, dass mit Standardkomponenten ein Messsystem für die zerstörungsfreie Materialprüfung von Brettschichthölzern im industriellen Umfeld aufgebaut werden kann. Durch die Nutzung von Mikrowellen ist das System deutlich kompakter und preisgünstiger als vergleichbare Systeme auf Röntgen- oder Laserbasis.

This diploma thesis covers the design and manufacturing of a transmission analyzer with multi antenna control. This prototype aims at the use for non-destructive material testing of sawn timber in industrial applications. Microwaves in the X-band are used to measure the spatially resolved transmission coefficients of a given sample in different angles and polarizations. The gained transmission coefficients can be used to gain insight about the sample's inner structure and, especially, the three dimensional orientation of the wood fiber.<br />To build this measurement system it was necessary to find a design that is fast and robust enough to fulfill the needs of the modern wood-processing industry, as well as being cost efficient at the same time. The measurement systems works in the following way: The microwave signals are generated within the system's control and processing unit (C&P unit) and are radiated and received using remote antenna modules.<br />To achieve the desired spatial resolution these antenna modules consist of many single antennas that can be selected by the C&P unit's internal control unit. The received microwave signals are fed back to the C&P unit where they are digitized and preprocessed. The resulting measurement system achieves a measurement rate of about hundredthousand transmission coefficients per second at an SNR better than 40 dB at transmit powers less than 100 µW.<br />The manufacturing of the system was done in two steps: First of all, a variety of promising circuits was simulated and manufactured using rapid prototyping methods. The circuits have been measured, compared, and optimized till the best of them were chosen for the final design. This final design was manufactured in an industrial process and measured in detail to verify all its essential characteristics.<br />The manufactured prototype shows that it is possible to build a measurement system suitable for material testing in an industrial environment from of-the-shelf components. In comparison to other material testing systems that are based on X-rays or lasers, this system offers a cost benefit as well as a very compact assembly.