Способ измерения относительной комплексной диэлектрической проницаемости материала с потерями в свч диапазоне



Способ измерения относительной комплексной диэлектрической проницаемости материала с потерями в свч диапазоне
Способ измерения относительной комплексной диэлектрической проницаемости материала с потерями в свч диапазоне
Способ измерения относительной комплексной диэлектрической проницаемости материала с потерями в свч диапазоне

 


Владельцы патента RU 2613810:

Валеев Георгий Галиуллович (RU)

Использование: для определения относительной комплексной диэлектрической проницаемости материалов с потерями. Сущность изобретения заключается в том, что с помощью СВЧ рефлектометра измеряют зависимость коэффициента отражения Френеля плоского образца материала от угла падения в пределах от 40 до 90°, когда электрическое поле волны параллельно плоскости падения, после чего по графику зависимости коэффициента отражения Френеля от угла падения определяют угол Брюстера θв, а относительную комплексную диэлектрическую проницаемость ε образца материала или участка поверхности земли рассчитывают по формуле ε=(tgθв)2. Технический результат: обеспечение возможности измерения в СВЧ диапазоне комплексной диэлектрической проницаемости больших по сравнению с длиной волны плоских образцов. 4 ил.

 

Изобретение относится к измерению электрических величин и может быть использовано для определения относительной комплексной диэлектрической проницаемости материалов с потерями и земных покровов в СВЧ диапазоне длин волн поля, падающего на измеряемый образец.

Известен способ измерения диэлектрической проницаемости диэлектриков на СВЧ с помощью коаксиального резонатора (Артур Р. Хиппель. Диэлектрики и их применение. - М.-Л.: Гос. Энергетическое издательство, 1959, с. 70). Способ состоит в следующем. Образец диэлектрика в виде шайбы помещают в разрыв внутреннего проводника резонатора. Резонатор настраивают в резонанс и измеряют показания по вольтметру. Далее образец удаляют, настраивают резонатор в резонанс и вновь измеряют показания по вольтметру. В двух измерениях определяют емкость резонатора и по ним рассчитывают диэлектрическую проницаемость образца диэлектрика.

Общим признаком аналога и изобретения является косвенный способ измерения диэлектрической проницаемости образцов материалов.

Способ-аналог измерения диэлектрической проницаемости не может быть использован для измерения диэлектрической проницаемости больших плоских образцов материала без их разрушения и для измерения диэлектрической проницаемости земных покровов, что является недостатками аналога.

Известны устройство и способ измерения больших значений комплексной, диэлектрической проницаемости поглощающих материалов на СВЧ и способ измерения (Патент РФ на изобретение №2199760, 2001), принятые за прототип изобретения. Способ состоится в том, что короткозамкнутый волновод с измеряемым образцом подключают к измерительной схеме с СВЧ генератором. От СВЧ генератора по короткозамкнутому волноводу подается зондирующая волна, которая движется по волноводу с продольной щелью, доходит до короткозамкнутого конца волновода, отражается и движется в обратном направлении.

Производят измерение зондирующей волны, отраженной от короткозамыкателя волновода, после чего производят измерение коэффициента отражения зондирующей волны, когда в щели установлен плоский измеряемый образец материала. Из полученных результатов комплексных коэффициентов отражения зондирующей волны от короткозамкнутого волновода вычисляют значение комплексной диэлектрической проницаемости измеряемого образца материала.

Общим признаком прототипа и изобретения является косвенный способ измерения относительной комплексной диэлектрической проницаемости образцов материалов.

Способ-прототип измерения диэлектрической проницаемости не может быть использован для измерения диэлектрической проницаемости больших плоских образцов без их разрушения и для измерения диэлектрической проницаемости участков земных покровов, что является недостатками прототипа.

Технический результат изобретения - косвенный способ измерения в СВЧ диапазоне комплексной диэлектрической проницаемости больших по сравнению с длиной волны плоских образцов материалов с потерями, используемых, например, для облицовки безэховых камер (БЭК), и измерение диэлектрической проницаемости земных покровов.

Способ измерения относительной комплексной диэлектрической проницаемости материалов с потерями основан на прямом измерении зависимости коэффициента отражения Френеля от угла падения волны на образец и определении по этой зависимости угла Брюстера.

Изобретение поясняется чертежами и графиками.

На фиг. 1 представлена схема измерения коэффициента отражения коэффициента Френеля плоского образца материала с помощью рефлектометра, где введены обозначения: 1 - образец материала с потерями; 2 - металлическая подложка; 3 - передающая и 4 - приемная антенны рефлектометра; 5 - генератор СВЧ; 6 - приемник; θ° - угол падения-отражения.

На фиг. 2 - зависимость коэффициента отражения от угла падения для асфальтового покрытия на длине волны 3 см, расчетное значение ε=4,3.

На фиг. 3 - зависимость коэффициента отражения от угла падения для суглинка с влажностью 20% на длине волны 3 см, расчетное значение ε=17.

Фиг.4. Зависимость коэффициента отражения от угла падения на поверхность пресной воды на длине волны 1 м, расчетное значение ε=80.

Антенны 3 и 4 могут быть выполнены в виде волноводных рупоров.

Образец материала должен иметь продольный и поперечный размеры много больше длины волны λ падающего на образец поля, не менее 5λ.

Передающую 3 и приемную 4 антенны устанавливают с возможностью перемещения по дуге окружности радиусом R, равным расстоянию до образца (фиг. 1). Образец 1 устанавливают в дальней зоне антенн, на расстоянии R, равном

R=2D2/λ,

где D - диаметр апертуры антенны;

λ - длина волны падающего поля.

Коэффициент отражения Френеля образца материала измеряют в пределах углов падения θ от 40 до 90°.

Предпосылки изобретения

Известно (Харвей А.Ф. Техника сверхвысоких частот. - М.: Советское радио, 1965, с. 41-42), что на поверхности раздела между свободным пространством и диэлектриком имеет место как полное отражение, так и преломление. Если углы θ и φ соответствуют углам падения и преломления, то по закону Снелля для волны, входящей в диэлектрик, записывается

sinθ/sinφ=√ε,

где ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

Отраженная волна распространяется всегда под углом - θ. Ее амплитуда для интересующего нас случая преломления в более плотной среде определяется коэффициентом Френеля, который равен

ρ=(√ε⋅cosθ-cosφ)/(√ε⋅cosθ+cosφ)=tg(θ-φ)/tg(θ+φ),

когда электрическое поле волны параллельно плоскости падения. При (θ+φ)=90°, знаменатель в этом выражении становится бесконечно большим числом, а коэффициент отражения равным нулю. Угол θв, при котором волна не отражается от образца, нулевое отражение, называется углом Брюстера.

Формула для ρ справедлива при измерении коэффициента Френеля на границе раздела двух полубесконечных сред: воздух - диэлектрик, когда преломленная волна не возвращается обратно. Преломленная волна не возвращается обратно, например, при измерении диэлектрической проницаемости участка поверхности земли (воды) или материала с потерями применяемого, например, для облицовки безэховых камер (БЭК), она затухает.

Способ измерения на СВЧ относительной комплексной диэлектрической проницаемости материалов ε с потерями состоит в том, что изготавливают плоский образец материала с размерами сторон не менее 5 длин волн.

После чего с помощью СВЧ рефлектометра (фиг. 1) измеряют коэффициент отражения Френеля образца в диапазоне углов падения от 40 до 90°, когда поляризация антенн рефлектометра параллельна плоскости падения.

В диапазоне углов падения от 40 до 90° определяют угол θв, при котором коэффициент отражения Френеля равен нулю или имеет минимальное значение. Этот угол называют углом Брюстера, он равен arctg√ε, где ε - относительная диэлектрическая проницаемость образца материала.

По измеренному углу Брюстера θв относительную комплексную диэлектрическую проницаемость ε образца материала рассчитывают по формуле ε=(tgθв)2.

Так, например, при угле Брюстера θв, равном 56°, tgθв=1,5, ε=2,25.

Для подтверждения правомерности определения ε по значению угла Брюстера θ для различных земных покровов были рассчитаны коэффициенты отражения Френеля (Штагер Е.А. Физические основы стелс-технологии. - С. Петербург, изд-во ВВМ, 2012, с. 237-245). Графики коэффициентов отражения в функции углов падения представлены на фиг. 2-4.

На графике фиг. 2 угол Брюстера θв равен 64° при расчетном значении ε=4,3. В соответствии с формулой ε=(tgθв)2=(2,05)2=4,25, погрешность определения ε по углу Брюстера θв составляет 1%.

На графике фиг. 3 угол Брюстера θв равен 76° при расчетном значении ε=17. В соответствии с формулой ε=(tgθв)2=(4,05)2=16,5, погрешность определения ε по углу Брюстера θв составляет 3%.

На графике фиг. 4 угол Брюстера θв равен 83,5° при расчетном значении ε=80. В соответствии с формулой ε=(tgθв)2=(8,8)2=78 погрешность определения ε по углу Брюстера θв составляет 2%.

Из графиков фиг. 2-4 следует, что значения ε, принятые для расчета зависимости коэффициентов Френеля от угла падения, равные: 4,3; 17 и 80, и значения ε, рассчитанные по формуле ε=(tgθв)2, отличаются не более чем на 3%. Поэтому правомерно рассчитывать значения относительной комплексной диэлектрической проницаемости земных покровов по углу Брюстера θв, определенного из графика зависимость коэффициента отражения Френеля от угла падения на плоский участок земного покрова.

Способ измерения относительной комплексной диэлектрической проницаемости плоского образца материала с потерями или плоского участка поверхности земли (воды) в СВЧ диапазоне волн состоит в том, что с помощью СВЧ рефлектометра измеряют зависимость коэффициента отражения Френеля плоского образца материала или плоского участка поверхности земли от угла падения в пределах от 40 до 90°, когда электрическое поле волны параллельно плоскости падения, после чего по графику зависимости коэффициента отражения Френеля от угла падения определяют угол Брюстера θв, а относительную комплексную диэлектрическую проницаемость ε образца материала или участка поверхности земли рассчитывают по формуле ε=(tgθв)2.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для преобразования изменения сопротивления резистивного первичного преобразователя температуры или деформации в напряжение и преобразования термо-ЭДС.

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для оценки функционального состояния организма. Способ определения составляющих импеданса биологического объекта состоит в измерении напряжения на биообъекте на границах диапазона, при этом определяют активное сопротивление и эквивалентную емкость тканей биообъекта по информативным параметрам амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), а именно - предельному напряжению и резонансной частоте, которые определяют по двум значениям напряжений на двух фиксированных частотах, являющихся границами диапазона.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения сопротивления изоляции электрических сетей любого рода тока, находящихся под рабочим напряжением или обесточенных и изолированных от «земли».

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для контроля и определения динамических метрологических характеристик при производстве и эксплуатации токовых шунтов.

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к строительству воздушных линий электропередачи и заземляющих устройств. Для проектирования и строительства линий электропередачи проводятся изыскательские работы, при этом исследуется местность, определяются характеристики грунта, в том числе электрическое сопротивление земли.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения различных физических величин. Согласно способу возбуждают колебания в резонаторе на фиксированной частоте.

Изобретение относится к наноэлектронике и наноэлектромеханике. Заявленный кварцевый реактор для исследования температурной зависимости электрического сопротивления высокорезистивных объектов, преимущественно, пленочных образцов из нанокомпозиционных материалов, содержит корпус, на внешней поверхности которого бифилярно намотан резистивный нагреватель; внутри корпуса на растяжках, выполненных в виде пружин из вольфрамовой проволоки, установлены C-образные зажимы с плоскими губками для размещения исследуемого образца, выполненные из вольфрамовой проволоки, причем в стенке корпуса, в центральной его части, установлена термопара с возможностью измерения температуры упомянутого образца, размещаемого в C-образных зажимах.

Изобретение относится к области наноэлектроники и может быть использовано в различных областях наноиндустрии. Заявлен способ исследования температурной зависимости электрического сопротивления пленочных образцов при нагреве.

Изобретение относится к измерительной технике. Способ включает преобразование измеряемой электрической величины и отсчет измеренной электрической величины.

Способ определения параметров прибора СВЧ, включающий измерение в n точках рабочей полосы частот его комплексных параметров рассеяния, моделирование его в рабочей полосе частот в виде эквивалентной схемы, содержащей активные и реактивные элементы, каждый из которых описывают соответствующим параметром, не зависящим от частоты, определение собственно параметров посредством математической процедуры.

Изобретение относится к физико-химическим исследованиям и может быть использовано в химической и других родственных с ней отраслях промышленности для определения удельной электропроводности ионпроводящих материалов, в том числе полимерных пленок и тканей. Предложен способ определения удельной электропроводности ионпроводящих материалов в условиях различных сред либо в условиях различной относительной влажности с учетом вклада контактного сопротивления на границе образец/электрод. Для реализации способа образец помещают в ячейку с электродами в количестве 6÷8 единиц, измеряют четырехконтактным методом не менее трех значений сопротивления образца между электродами, расположенными на разном расстоянии друг от друга. Затем строят график зависимости ионного сопротивления (R) образца от расстояния между электродами (L) и находят тангенс угла наклона (tgα) графика зависимости и определяют удельную электропроводность (σ) по формуле: ,где Sсеч - площадь сечения образца. Изобретение позволяет повысить достоверность определения электропроводности за счет учета вклада контактного сопротивления на границе образец/электрод и использования четырехконтактного метода определения электропроводности. 2 ил., 1 табл.
Наверх