Dört terminal çift kapasitans standartlarının 30’mhz’e kadar karakterizasyonu için yeni bir yöntem

Abstract

Elektriksel metrolojide frekans bölgesi temel olarak üç ana bölgeye ayrılır. Doğru akımdan 100 kHz'e kadar olan bölgeye LF (Low Frequency) 100 kHz – 1 GHz arası bölge RF (Radio Frequency) ve 1 GHz – 100 GHz arası bölge MW (Microwave Frerequency) olarak adlandırılır. Literatürde farklı adlandırmalar olsa da burada yapılan ayrım temel olarak metrolojik izlenebilirlik zincirinin ayrıldığı bölge açısından değerlendirilmektedir. LF ve RF arası bölge LF-RF boşluk olarak adlandırılmakta ve bu bölgede metrolojik izlenebilirlik sorunun çözülmesi için ulusal metroloji enstitüleri tarafından çalışmalar yürütülmektedir. Bu frekans bölgesinde RLC metreler, güç algılayıcılar, network analizörler gibi ticari cihazlar ölçüm yapabilmekte ve düşük ölçüm belirsizliklerine ihtiyaç duymaktadır. Haberleşme, ilaç, otomotiv, havacılık, tıbbi analiz ve görüntüleme cihazları, uzay çalışmaları ile spektroskopik yöntemle malzeme analizinde bu bölgede alınan ölçümler yaygın olarak kullanılmaktadır. Ticari olarak pazarda fazla sayıda cihaz olmasına karşın firmaların belirttiği doğruluk limitlerini güvenilirlik altına alacak bir izlenebilirlik zinciri kurulabilmiş değildir. Firma ve yöntem bağımlılığı mevcuttur. Ayrıca herhangi bir uluslararası karşılaştırma düzenlenmiş değildir. Bu çalışmada 1 pF – 1000 pF aralığında hava dielektrikli dört terminal çift (4TP) Agilent 16380A kapasitans standartlarının 30 MHz'e kadar karakterize edilebilmesi için yeni bir yöntem geliştirmiştir. Bu yöntem 4TP hava dielektrikli kapasitans standartlarının tüm artık indüktans parametrelerinin rezonans frekanslarından belirlenmesine dayanmaktadır. Bu rezonans frekansları 500MHz'e kadar Vektör Netvörk Analizör ile elde edilen saçılma parametreleri kullanılarak elde edilen empedans ve admitans değerleri ile hesaplanmıştır. Bu çalışmada elde edilen sonuçlar ve yayınlar neticesinde Türkiye Bilimsel ve Teknik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME) yüksek frekans kapasitans ölçümleri alanında Uluslararası Ölçüler ve Ağırlıklar Bürosu (BIPM) veri tabanına yeni bir CMC satırı ekleyerek Türkiye'nin bu alandaki uluslararası izlenebilirliğini sağlanmıştır.

Frequency region in the electrical metrology is mainly divided by three ranges. According to the frequency region, frequency ranges are entitled as Low Frequency (LF), Radio Frequency (RF) and microwave (MW). Beginning from DC to 100 kHz range is called as LF, 100 KHz - 1 GHz is called as RF and 1 GHz – 100 GHz is called as MW. Despite of different classifications in the literature, this nomination is mainly based on metrological traceability chain researches. Region between LF and RF is named as LF-RF gap. In order to solve this problem several research project have been performed by national metrology institutes. Commercial devices like, RLC meter, power detectors, network analyzer, etc. can take measurements in this frequency range and demands better measurements uncertainty. Measurements taken in the LF-RF gap region are widely used in, medical analysis, medical monitoring devices, drug developments and productions, automotive, aviation, space, spectroscopic material analysis and. communication sector. Although numerous devices are avialable in the market, in order to reach accuracy limits declared by companies' confidence traceability chain has not been established. Moreover, calibration methods are company and method dependent. Besides that, international inter-comparison has not been organized. In this work, in order to characterize Agilent air dielectric four terminal pair (4TP) 16380A capacitance standards between the ranges 1 pF – 1000 pF up to 30 MHz, a new method has been developed. The method is based on determination of the residual inductance parameters of the 4TP air dielectric capacitance standards from resonance frequencies. These resonance frequencies up to 500 MHz have been calculated from impedance and admittance values derived from S parameter measurements taken by vector network analyzer. International traceability of high frequency capacitance measurements of Turkey has been established by results of this work. The Scientific And Technological Research Council of The TURKEY (TÜBİTAK) National Metrology Institute (UME) has added a new Calibration and Measurement Capabilities (CMC) into BIPM (Bureau International des Poids et Mesures) database.