Способ измерения диэлектрической проницаемости материалов

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности для измерения поперечной анизотропии диэлектриков в СВЧ-диапазоне. Цель изобретения - повышение чувствительности и точности измерения поперечной анизотропии диэлектрической проницаемости. Новым является то, что измеряемую пластину вращают в плоскости ортогональной оси круглого волновода и определяют ее положения, соответствующие минимальной и максимальной частотам минимума Кет. По положению пластины относительно плоскости поляризации волны Hip в этих частотных точках определяют главные оси поперечной анизотропии , а по частотам определяют величины диэлектрических проницаемостей вдоль этих направлений. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ И СТИЧ ЕСКИХ

РЕСПУбЛИК (я)5 G 01 N 22/00

ГОСУДАР СТ8Е ННЫ Й КОМИТЕТ

ПО ИЗОбРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4817548/09 (22) 07.03.90 (46) 30.08.92, Бюл, ¹ 32 (71) Московский радиотехнический институт

АН СССР (72) )O.À,Колосов (56) Труды института инженеров по электронике и радиоэлектронике, 1986, № 1, с. 206 — 225.

Авторское свидетельство СССР № 1255904, кл. 6 01 N 22/00, 1984. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ MATEÐÈÀЛОВ (57) Изобретение относится к измерительной технике, в частности для измерения поИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для из- мерения поперечной анизотропии диэлектрических материалов в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн, Известны способы измерения диэлектрической проницаемости материалов с помощью измерения Кс» в частотной области для пластин, расположенных в волноводах и коаксиальных линиях.

Недостатками известных способов являются невозможность определения величин поперечной анизотропии материала и направление главных осей тензора поперечной диэлектрической проницаемости.

Наиболее близким по технической сущности является способ измерения диэлектрической проницаемости материалов, в том числе анизотропных, заключающийся в облучении диэлектрического образца электромагнитной волной, измерении угла. Ж 1758530 А1 перечной анизотропии диэлектриков в

СВЧ-диапазоне. Цель изобретения — повышение чувствительности и точности измерения поперечной анизотропии диэлектрической проницаемости. Новым является то, что измеряемую пластину вращают в плоскости ортогональной оси круглого волновода и определяют ее положения, соответствующие минимальной и максимальной частотам минимума К т, По положению пластины относительно плоскости поляризации волны Н Р в этих частотных точках определяют главные оси поперечной анизотропии, à llo частотам определяют величины диэлектрических проиицаемостей вдоль этих направлений. 2 ил. поворота диэлектрического образца по отношению к плоскости поляризации электромагнитной волны, определении направления главных осей тензора поперечной анизотропии по углу поворота в момент достижения экстремальных значений и расчете значения поперечной анизотропии диэлектрической проницаемости.

Недостатками способа является высокая трудоемкость, малая точность и чувствительность измерений поперечной анизотропии.

Целью изобретения является повышение чувствительности и точности измерений поперечной анизотропии.

Поставленная цель достигается тем, что облучение диэлектрического образца электромагнитной волной осуществляют путем возбуждения несимметричной волны Н р в круглом волноводе, o котором располагают диэлектрический образец. выполиениый в

1758530 виде пластины, ортогонально продольной оси круглого волновода, изменение угла поворота осуществляют путем вращения пластины s плоскости ортогональной оси круглого волновода, в качестве экстремальных значений выбирают значения минимальной и максимальной частот минимума

К т, а расчет величин поперечной энизотропии диэлектрической проницаемости осуществляют по формулам: ех = е1(1 + 1/а) + яг(1 — 1/а); еу = е (1 — 1/а) + ег(1 +1/а); (1)

Ч = ф + () (() . 1-1,2;

a= 0,5- -1/(р - 1), г где d — толщина пластины, см;

R — радиус волновода, см;

1 1р — коРень УРавнениЯ (1(и1р) = 0;

I> — производная функция Бесселя;

С вЂ” скорость света, см/с;

f1, fz- наименьшая и наибольшая частоты, Гц, соответствующие минимумам i@ .

На фиг. 1 схематически изображена установка для измерения поперечной анизотропии диэлектрических материалов; на фиг.

2 — расчетные значения модуля коэффициента отражения, как функции нормированной частоты V = (КВ! w1p ) при различных углах О между осью пластины с наибольшим значением диэлектрической проницаемости и плоскостью поляризации волны

Н1р. Измерительная установка состоит из согласованной нагрузки 1, вращающейся секции круглого волновода, содержащего измеряемую диэлектрическую пластину 2, волноводный переход прямоугольного волновода на круглый 3, направленный ответвитель 4, коаксиально-волноводный переход 5. детекторы падающей 6 и отраженной 7 волны; генератор качающейся частоты 8, индикатор КС8Н и ослабления Я2Р— 67 — 9. На фиг. 2 кривая 10 соответствует углу 0 -Оо, кривая 11-углу 0=45о, кривая

12 — углу 9= 90 при значениях d/R = 0,27, х - 11 56. су 9,35.

Предлагаемый способ измерения анизотропии диэлектрической проницаемости материалов реализуется следующим образом. С генератора качающейся частоты 8

СВ4 сигнал через коаксиально-волноводный переход 5 подается на секцию прямоугольного волноводэ с направленным ответвителем 4..часть энергии прямой волны через направленный ответвитель и двтектирующую секцию 6 подается на вход падающей волны индикатора 9, другая часть энергии через волноводный переход подается на вращающуюся секцию с измеряе5 мой пластиной 2. Отраженная волна через направленный ответвитель и детектирую щую секцию 7 подается на вход отраженной волны индикатора Я2Р— 67.

В общем случае, когда положение осей

10 тензора поперечной диэлектрической проницаемости и плоскости поляризации волны

Н1р произвольно, представим падающую волну в виде суммы двух волн. Поляризация одной иэ волн совпадает с главной осью

15 тензорэ. имеющего наибольшую величину диэлектрической проницаемости, поляризация другой совпадает с другой осью тензора

Оп7п = 0п(1хсоз O+ IysIn О), (2), где ln, Ix, ty — единичные векторы;

О- угол между векторами Ь и Ix.

Комплексные коэффициенты отражения

25 волн с различной поляризацией вычисляются с помощью формулы

30 (3) j =1,2, Амплитуда и поляризация отраженной

45 волны равна

0от!от Оп(!хй1соз О+ 1уйгз! и О). (5) Так как поляризация волны определяет50 ся прямоугольным волноводом, то амплитуда отраженной волны в прямоугольном вол новоде равна

Uargo7n) Оп(Ьсоз О+ Ягз!п О). (6)

55 э модуль коэффициента отражения

I R I - й1соз e+ йгз1пг О. (7) где Го — постоянная распространения волны Н1р в незаполненном волноводе;

à — постоянные распространения для волн с первой и второй поляризацией в волноводе, заполненном анизотропной средой, которме в первом приближении определяют40 ся соотижиениями

Ф, г = й+Й (o.ь —.т — ))к -(+) ° (4) 1758530

Анализ выражения (7) с учетом (3) показывает, что модуль коэффициента отражения и связанного с ним значения

Kcrv - (1 + I R I)/(1 — I R 1 ) принимает минимальные значения при условиях

0=0

I1d =Л (8) (9) Из условий (8) и (9) и формулы (4) получим соотношения (1), связывающие частоты минимума К » и диэлектрические проницаемости е, и еу

Таким образом на экране индикатора

Я2Р— б7 в общем случае наблюдается характеристика Кс, аналогичная кривой 11. Вращая измерительную секцию 3, находим ее положение, при котором зависимость Кст от частоты совпадает с кривой 10. Фиксируем положение секции 3 относительно прямоугольного волновода 4 и по частотным меткам определяем наименьшую частоту. Затем аналогичным образом находим положение измерительной секции относительно прямоугольного волновода, при которой зависимость К » от частоты совпадает с кривой 12. Согласно условиям (8) и (9) эти два поло. кения соответствуют случаям, когда главные оси тензора диэлектрической проницаемости ортогональны широкой стенке прямоугольного волновода. По наименьшей и наибольшей частотам минимума К<» с помощью соотношений (1) определяем величины е„и

8у в.направлениях по главным осям поперечных компонент тензора диэлектрической проницаемости.

Использование предлагаемого способа измерения диэлектрической проницаемости позволяет по сравнению с существующими увеличить точность и чувствительность измерения величин поперечной анизотропии и положения главных осей тензора диэлектрической проницаемости.

Формула изобретения

Способ измерения диэлектрической проницаемости материалов, заключающийся в

5 облучении диэлектрического образца электромагнитной волной, изменении угла поворота диэлектрического образца по отношению к плоскости поляризации электромагнитной волны, определение направления главных

10 осей тензора поперечной анизотропии по углу поворота в момент достижения экстремальных значен и и расчете значения поперечной аниэотропии диэлектрической проницаемости, отличающийся тем, 15 что, с целью повышения чувствительности и точности измерений поперечной анизотропии, облучение диэлектрического образца электромагнитной волной осуществляют путем возбуждения несимметричной волны

20 HQ1p в круглом волноводе, в котором располагают диэлектрический образец, выполненный в виде пластины, ортогонально продольной оси круглого волновода, изменение угла поворота осуществляют путем

25 вращения пластины в плоскости, ортогональной оси круглого волновода, в качестве экстремальных значений выбирают значение минимальной и максимальной частот минимума Кстч, а расчет значений попереч30 H0I1 анизотропии диэлектрической проницаемости осуществляют по формулам:

ex = Я1(1 + 1/а) + Сг(1 — 1/a);

35 Яу = е1(1 — 1/а) + ez(1 + 1/а);

40 где d — толщина пластины, см;

К вЂ” радиус круглого волновода, см;

11р — корень уравнения I1 (v1p) 0;

I1 — производная функция Бесселя;

С вЂ” скорость света, см/с;

f1, fz — измеренная минимальная и максимальная частоты, Гц.

1 /

М

0$

62

Составитель Е.Адамова

Редактор fl.Ï÷îëèíñêàÿ Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор А.Мотыль

Заказ 2995 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35. Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101