Способ измерения больших значений комплексной диэлектрической проницаемости импедансных материалов на свч и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области радиоизмерений параметров поглощающих диэлектрических материалов на СВЧ, в частности к измерению комплексной относительной диэлектрической проницаемости композиционных материалов типа углепластиков, характеризующихся большими значениями комплексной относительной диэлектрической проницаемости, имеющих шероховатую поверхность. Технический результат - повышение точности измерения комплексной диэлектрической проницаемости композиционных материалов, имеющих шероховатую поверхность. Предлагается способ и устройство для проведения измерений больших значений комплексной диэлектрической проницаемости импедансных материалов шероховатой поверхностью измеряемого материала. Берут эталонный короткозамыкатель и два дополнительных эталонных короткозамыкателя - гладкий и шероховатый, затем производят измерение комплексного коэффициента отражения от эталонных короткозамыкателей и измеряемого образца, производят уточнение комплексных коэффициентов отражения и производят обработку результатов измерений с вычислением значений комплексной относительной диэлектрической проницаемости. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области радиоизмерений параметров поглощающих диэлектрических материалов на СВЧ, в частности к измерению комплексной относительной диэлектрической проницаемости композиционных материалов типа углепластиков, характеризующихся большими значениями комплексной относительной диэлектрической проницаемости, имеющих шероховатую поверхность.

Наиболее близким способом по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа способ для измерения комплексной диэлектрической проницаемости косвенным методом [см. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз, 1963, 192 с.]. Измерения проводятся в два этапа, вначале к волноводному фланцу подключается эталонный короткозамыкатель 2 и производится калибровка установки (см. фиг.1), затем к волноводному фланцу взамен эталонного короткозамыкателя крепится исследуемый плоский образец диэлектрика (фиг.1). От СВЧ-генератора по волноводу 1 подается зондирующая электромагнитная волна. Информация о параметрах материала заключается в амплитудах и фазах отраженных волн, т.е. в комплексном коэффициенте отражения. Для измерения коэффициента отражения могут применяться одиночные и многозондовые измерительные линии, автоматические измерительные линии, автоматические измерители полных сопротивлений и т.п. Обработка результатов производится по методике [см. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз, 1963, 192 с.].

Недостатком описанного прототипа является низкая точность измерения комплексной относительной диэлектрической проницаемости.

Известно устройство для измерения комплексной диэлектрической проницаемости косвенным методом, включающее СВЧ-генератор, измерительное устройство комплексного коэффициента отражения, открытый на конце прямоугольный волновод 1, заканчивающийся фланцем, эталонный короткозамыкатель 2 и измеряемый материал, использующийся в качестве замыкающей волновод пластины [см. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз, 1963, 192 с.]. Измерения проводятся в два этапа, вначале к волноводному фланцу подключается эталонный короткозамыкатель 2 и производится калибровка установки, затем к волноводному фланцу взамен короткозамыкателя крепится исследуемый плоский образец диэлектрика (фиг.1.). От СВЧ-генератора по волноводу 1 подается зондирующая электромагнитная волна. Информация о параметрах материала заключается в амплитудах и фазах отраженных волн, т.е. в комплексном коэффициенте отражения. Для измерения коэффициента отражения могут применяться одиночные и многозондовые измерительные линии, автоматические измерительные линии, автоматические измерители полных сопротивлений и т.п. Обработка результатов производится по методике [см. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз, 1963, 192 с.].

Недостатком описанного прототипа является низкая точность измерения комплексной относительной диэлектрической проницаемости.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что известный способ имеет низкую точность измерения больших значений диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ, при которых |Г|→1, a ϕ→180° из-за большой крутизны зависимости ε(ϕ), tgδ(ϕ) в области ϕ→180° (см. фиг.2). При этом инструментальные и методические погрешности способа приводят к большим ошибкам измерения ε и tgδ. Одной из причин погрешностей является отличие в величине шероховатостей поверхности эталонного короткозамыкателя 2 (см. фиг.1,а) и измеряемого образца 2 (см. фиг.1,б).

Из-за отклонения плоскости прилегания образца 3 (см. фиг.1,а и фиг.1,б) к волноводу 1 от плоскости отражения 4 (см. фиг.1,б) зондирующей электромагнитной волны появляется методическая ошибка, величина которой по фазе равна

,

где Δx - отклонения плоскости отражения зондирующей волны от плоскости прилегания образца, λ_в - длина волны в волноводе.

Ошибка является недопустимо большой при |ε|>100 при Δх=5 мкм и λ_в=8 мм Δϕ=0,45°=27', что соответствует измерениям образцов с шероховатостью поверхности не лучше 5-6 класса (высота микронеровностей 3-7 мкм) и измерениям в 8 мм диапазоне длин волн. Например, фазовая ошибка в 1 градус для материала из углепластика увеличивает погрешность вычисления относительной комплексной диэлектрической проницаемости в десятки раз (более 120%).

Сущность изобретения заключается в следующем. В процессе измерения и обработки результатов измерений не учитывается различие шероховатостей поверхностей измеряемого образца и эталонного короткозамыкателя, с которым производится сравнение, что приводит к погрешности измерения фазы. Для углепластиков же (имеющих одновременно большие значения относительной диэлектрической проницаемости более 100 и тангенса угла диэлектрических потерь до 1 и более) погрешность измерения фазы дает недопустимо большую ошибку при вычислении комплексной относительной диэлектрической проницаемости. Поэтому для повышения точности измерения фазы в качестве эталона предлагается использовать короткозамыкатель, имеющий такую же шероховатость поверхности, как измеряемый материал, шероховатый короткозамыкатель можно изготовить из образца измеряемого материала, на который нанесено металлическое отражающее покрытие, например, методом вакуумного напыления. Шероховатый короткозамыкатель повторяет рельеф шероховатой поверхности исследуемого материала и устраняет паразитный набег фазы, вызванный различием шероховатости поверхности измеряемого материала и эталонного короткозамыкателя. Но в процессе измерения и обработки результатов измерений не учитывается отличие отражательные свойств нанесенного металлического покрытия от отражательных свойств материала эталонного короткозамыкателя. Для оценки отражательных свойств нанесенного металлического покрытия шероховатого короткозамыкателя производят его сравнения с эталонным короткозамыкателем. Для этого берут материал, позволяющий получить ровную и гладкую поверхность, как у эталонного короткозамыкателя, и наносят на него отражающее металлическое покрытие, как на шероховатом короткозамыкателе. В результате получают измеряемый образец и три эталонных короткозамыкателя:

1 короткозамыкатель - эталонный короткозамыкатель, рекомендуемый ГОСТом для измерения параметров диэлектрических материалов [ГОСТ 8.358-79.ГСИ. Методика выполнения измерений относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь в диапазоне частот от 0,2 до 1 ГГц. - М.: Изд-во стандартов, 1979. - 12 с.];

2 короткозамыкатель - гладкий короткозамыкатель, имеющий частоту обработки поверхности, как эталонный короткозамыкатель 1, из материала с нанесенным на него отражающим металлическим покрытием;

3 короткозамыкатель - шероховатый короткозамыкатель, имеющий частоту обработки поверхности, как измеряемый образец, один из измеряемых образцов с нанесенным на него отражающим металлическим покрытием, как в эталонном короткозамыкателе 2.

По измеренным комплексным коэффициентам отражения от короткозамыкателей (Г₁, Г₂, Г₃) и измеряемого образца материала (Г_обр) производится обработка результатов измерений и вычисление комплексной диэлектрической проницаемости. По значениям Г₁ и Г₂ производят оценку и уточнение отражательных свойств металлического покрытия, нанесенного на гладкую поверхность материала с эталонным короткозамыкателем, путем деления Г₂ на Г₁ получают уточненный комплексный коэффициент отражения металлического покрытия. По Г₂/Г₁ и Г₃ производят оценку и уточнение отражательных свойств металлического покрытия, нанесенного на гладкую поверхность материала с металлическим покрытием, нанесенным на шероховатую поверхность одного образца измеряемого материала, путем деления Г₃ на Г₂/Г₁ получают уточненный комплексный коэффициент отражения шероховатого металлического покрытия. По уточненному Г₃Г₁/Г₂ и Г_обр путем деления Г_обр на Г₃Г₁/Г₂ получают уточненный комплексный коэффициент отражения от измеряемого образца, затем производят вычисление комплексной диэлектрической проницаемости образца измеряемого материала по методике [см. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз, 1963, 192 с.].

Технический результат - повышение точности измерения комплексной диэлектрической проницаемости композиционных материалов, имеющих шероховатую поверхность.

Указанный технический результат при осуществлении способа достигается тем, что в известном способе, заключающемся в измерении комплексного коэффициента отражения от волновода, на конце которого вначале устанавливают эталонный короткозамыкатель, а затем измеряемый плоский образец материала, с последующей обработкой результатов измерений.

Особенность способа заключается в том, что производят измерение комплексного коэффициента отражения от эталонного короткозамыкателя и от гладкого эталонного короткозамыкателя, вычисляют отношение комплексного коэффициента отражения гладкого эталонного короткозамыкателя к эталонному короткозамыкателю, получают уточненный комплексный коэффициент отражения гладкого эталонного короткозамыкателя, затем производят измерение комплексного коэффициента отражения от шероховатого эталонного короткозамыкателя, вычисляют отношение комплексного коэффициента отражения шероховатого эталонного короткозамыкателя к уточненному комплексному коэффициенту отражения гладкого эталонного короткозамыкателя, получают уточненный комплексный коэффициент отражения шероховатого эталонного короткозамыкателя, затем производят измерение комплексного коэффициента отражения от измеряемого плоского образца материала, вычисляют отношение комплексного коэффициента отражения измеряемого плоского образца материала к уточненному комплексному коэффициенту отражения шероховатого эталонного короткозамыкателя, получают уточненный комплексный коэффициент отражения измеряемого образца материала, по которому определяют значения комплексной диэлектрической проницаемости измеряемого материала.

Указанный технический результат при реализации устройства для измерения больших значений комплексной диэлектрической проницаемости импедансных материалов на СВЧ, содержащее СВЧ-генератор, измерительное устройство комплексного коэффициента отражения, открытый на конце волновод, заканчивающийся фланцем, эталонный короткозамыкатель и плоский образец измеряемого материала, который обладает большими значениями комплексной диэлектрической проницаемости.

Особенность устройства заключается в том, что введены дополнительно два эталонных короткозамыкателя, причем один из них, гладкий эталонный короткозамыкатель, имеющий такую же частоту обработки и шероховатость поверхности, как эталонный короткозамыкатель, с нанесенным на него отражающим металлическим покрытием, а второй шероховатый эталонный короткозамыкатель, имеющий такую же частоту обработки и шероховатость поверхности, как измеряемый материал, с нанесенным на него отражающим металлическим покрытием.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения.

Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “новизна”.

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию “изобретательский уровень” заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:

- дополнение известного средства какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения;

- замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;

- исключение какой-либо части средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата;

- увеличение количества однотипных элементов, действий, для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов, действий;

- выполнение известного средства или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала;

- создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между другими.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака, представлении таких признаков во взаимосвязи либо изменении ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, закономерностей.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “изобретательский уровень”.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата.

Способ реализуется с помощью устройства, приведенного на фиг.1,б, где 1 - волновод, 2 - измеряемый образец, 3 - плоскость прилегания измеряемого образца, 4 - плоскость отражения измеряемого образца.

Вначале производят измерение шероховатости поверхности измеряемого образца материала. Далее изготавливают шероховатый эталонный короткозамыкатель с шероховатостью, повторяющей шероховатость измеряемого образца, затем изготавливают гладкий эталонный короткозамыкатель, повторяющий шероховатость эталонного короткозамыкателя, для оценки отражательных свойств металлического покрытия у шероховатого эталонного короткозамыкателя. После производят измерения комплексных коэффициентов отражения от эталонного короткозамыкателя, от гладкого эталонного короткозамыкателя, от шероховатого эталонного короткозамыкателя и измеряемого образца материала, затем производят обработку результатов измерений с вычислением значений комплексной относительной диэлектрической проницаемости.

Для проведения измерений больших значений комплексной диэлектрической проницаемости импедансных материалов производят измерение комплексного коэффициента отражения от шероховатой поверхности измеряемого материала. Берут эталонный короткозамыкатель, два образца измеряемого материала, материал, поверхность которого с помощью механической обработки можно получить, как у эталонного короткозамыкателя, на один образец измеряемого материала и на материал наносят металл с высокими отражающими свойствами, например серебро, эти образцы используются в качестве шероховатого и гладкого эталонных короткозамыкателей. Второй образец измеряемого материала используется как измеряемый. Измерения проводятся в четыре этапа, с эталонным короткозамыкателем, с гладким эталонным короткозамыкателем, с шероховатым эталонным короткозамыкателем и с замыкающей волновод пластиной измеряемого образцом. От СВЧ-генератора по волноводу подается зондирующая электромагнитная волна, на конце волновода устанавливают эталонные короткозамыкатели и образец. Вначале производится измерение комплексного коэффициента отражения (Г₁) зондирующей электромагнитной волны от эталонного короткозамыкателя регламентируемым ГОСТом [ГОСТ 8.358-79.ГСИ. Методика выполнения измерений относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь в диапазоне частот от 0,2 до 1 ГГц. - М.: Изд-во стандартов, 1979. - 12 с.], затем от гладкого эталонного короткозамыкателя материала (Г₂). По значениям Г₁ и Г₂ производят оценку и уточнение отражательных свойств металлического покрытия, нанесенного на гладкую поверхность материала с эталонным короткозамыкателем, путем деления Г₂ на Г₁ получают уточненный комплексный коэффициент отражения металлического покрытия. Далее производят измерение комплексного коэффициента отражения зондирующей электромагнитной волн от шероховатого эталонного короткозамыкателя (Г₃). По Г₂/Г₁ и Г_з производят оценку и уточнение отражательных свойств металлического покрытия, нанесенного на гладкую поверхность материала с металлическим покрытием, нанесенным на шероховатую поверхность одного образца измеряемого материала, путем деления Г₃ на Г₂/Г₁ получают уточненный комплексный коэффициент отражения шероховатого металлического покрытия. После этого производят измерение комплексного коэффициента отражения от образца измеряемого материала (Г_обр). По уточненному Г₃Г₁/Г₂ и Г_обр путем деления Г_обр на Г₃Г₁/Г₂ получают уточненный комплексный коэффициент отражения от измеряемого образца. Информация о параметрах материала заключается в амплитуде и фазе отраженной волны, т.е. в комплексном коэффициенте отражения. Затем производят вычисление комплексной диэлектрической проницаемости образца измеряемого материала.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в измерении параметров диэлектрических материалов;

- для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “промышленная применимость”.

Формула изобретения

1. Способ измерения больших значений комплексной диэлектрической проницаемости импедансных материалов на СВЧ, заключающийся в измерении комплексного коэффициента отражения от волновода, на конце которого вначале устанавливают эталонный короткозамыкатель, а затем измеряемый плоский образец материала, который обладает большими значениями комплексной диэлектрической проницаемости, с последующей обработкой результатов измерений, отличающийся тем, что производят измерение комплексного коэффициента отражения от эталонного короткозамыкателя и от гладкого эталонного короткозамыкателя, выполненного из материала с такой же чистотой обработки поверхности, как эталонный короткозамыкатель, с нанесенным на него отражающим металлическим покрытием, вычисляют отношение комплексного коэффициента отражения гладкого эталонного короткозамыкателя к эталонному короткозамыкателю, получают уточненный комплексный коэффициент отражения гладкого эталонного короткозамыкателя, затем производят измерение комплексного коэффициента отражения от шероховатого эталонного короткозамыкателя, выполненного из измеряемого материала с нанесенным на него отражающим металлическим покрытием, вычисляют отношение комплексного коэффициента отражения шероховатого эталонного короткозамыкателя к уточненному комплексному коэффициенту отражения гладкого эталонного короткозамыкателя, получают уточненный комплексный коэффициент отражения шероховатого эталонного короткозамыкателя, затем производят измерение комплексного коэффициента отражения от измеряемого плоского образца материала, вычисляют отношение комплексного коэффициента отражения измеряемого плоского образца материала к уточненному комплексному коэффициенту отражения шероховатого эталонного короткозамыкателя, получают уточненный комплексный коэффициент отражения измеряемого образца материала, по которому определяют значения комплексной диэлектрической проницаемости измеряемого материала.

2. Устройство для измерения больших значений комплексной диэлектрической проницаемости импедансных материалов на СВЧ, содержащее СВЧ-генератор, измерительное устройство комплексного коэффициента отражения, причем от СВЧ-генератора по волноводу подается зондирующая электромагнитная волна, а на конце волновода, заканчивающемся фланцем, устанавливают эталонный короткозамыкатель или плоский образец измеряемого материала, который обладает большими значениями комплексной диэлектрической проницаемости, отличающееся тем, что введены дополнительно два эталонных короткозамыкателя, причем один из них, гладкий эталонный короткозамыкатель, имеющий такую же шероховатость поверхности, как эталонный короткозамыкатель, с нанесенным на него отражающим металлическим покрытием, а второй - шероховатый эталонный короткозамыкатель, имеющий такую же шероховатость поверхности, как измеряемый материал, с нанесенным на него отражающим металлическим покрытием.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2