Способ и устройство для определения коэффициента преломления плоских образцов диэлектрика в свободном пространстве

 

Союз Советскик

Социалистических

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ С ТИЛЬСТВУ

{»>857799 (6! ) Дополнительное к авт. сеид-sy (22) Заявлено 261179 (21) 2844240/18-25 с присоединением заявки Но (23)Приоритет

Опубликовано 23.08.81..6þëÿåòåíü И9 З1

Дата опубликования описания 2 З.08,81 (g К„З

G 01 и 21/41

Государственный коиитет

СССР по делен изобретений и открытий (53) УДК 5З5.З22. .4 (088.8) (72) Авторы изобретения

А.Ю. Борисов, P.Â. Шапиро и A..:Ã. Шубов (71) Заявитель (54) СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

КОЭФФИЦИЕНТА ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПЛОСКИХ ОБРАЗЦОВ

ДИЭЛЕКТРИКА В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для измерения коэффициента преломления плоскопараллельных образцов естественного и искусственного диэлектриков в свободном пространстве в широком диапазоне частот.

Известны способ и устройство,используемые для измерения коэффициента преломления плоских образцов диэлектрика в свободном пространст-, ве 1).

Этот способ основан на измерении частоты и разности фаз электромагнит- !5 ных колебаний, распространяющихся в свободном пространстве и в испытывае-. мом диэлектрике.

Если образец диэлектрика расположен перпендикулярно направлению рас- 20 пространения поля, то коэффициент преломления вычисляется по формуле н=4+ —.— (i

С

2к, дт где d — толщина испытываемого образца;

9 — фазовый сдвиг электромагнитных колебаний, — частота электромагнитных колебаний; 30 с — скорость распространения электромагнитных колебаний в свободном пространстве.

Однако данный способ не позволяет выполнять измерение коэффициента преломления образцов диэлектрика толщиной более одной длины волны, поскольку электрическая толщина образца здесь определяется с точностью до целого числа волн, укладывающихся в толщине образца. Поэтому при измерении необходима предварительная информация о порядке величины коэффициента преломления образца, которая на практике часто отсутствует.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности являются способ и устройство для определения коэффициента преломления плоских образцов диэлектрика в свободном пространстве.

Способ также основан на измерении частоты и разности фаз электромагнитных колебаний, на каждой фиксированной частоте, распространяющихся в, свободном пространстве и искусственном диэлектрике. Сдвиг фазы сигналов, прошедших через испытываемый образец и свободное пространство, в общем случае равен некоторому целому числу

857799 длин волн m и остаточному фазовому сдвигу /<21 .. Коэффициент преломления вычисляется по формуле

Таким образом, для вычисления коэффициента преломления необходимо определить не только частоту поля Г и фазовый сдвиг Ч:, но и количество целых длин волн m, укладывающихся в толщине испытываемого образца диэлектрика. Определение m осуществляется с помощью небольших изменений толщины образца, приводящих лишь к некоторому изменению остаточного фазового сдвига 9 на фиксированной частоте.

Для измерения m используют два образца толщиной д1 и д2, причем

d g d .Число m вычисляется по форму1 2 ле где ф и ц — фазсвые сдвиги для образ1 2 цов.

Этим способом можно определить ко-. эффициент преломления образцов диэлектрика любой толщины и произвольным показателем преломления при условии, что при изменении толщины образца от д1 до dz выполняется соотношение / 9,1- 92 f (2 %.

Способ предполагает наличие двух образцов диэлектрика (со строго одинаковыми коэффициентами преломления) различной толщины д„ и д2. Толщины

d è dz образцов должны удовлетворять неравенству, в котором t г „- z)<2 k, поэтому и здесь необходимы априорные данные о величине коэффициента преломления. Каждый цикл измерений коэффициента преломления должен проводиться на фиксированной частоте,что не позволяет автоматизировать измерение коэффициента преломления в диапазоне частот, а сам процесс измерений сравнительно трудоемок, особенно при измерении крупногабаритных и тяжелых образцов диэлектрика, Устройство для осуществления этого способа содержит измерительную схему, приемную и передающую антенны, установленные с двух сторон образца.

Точность измерения коэффициента прелоМления определяется точностью измерения частоты генератора и стабильностью его частоты, точностью иэмефзния толщины образца диэлектрика с помощью измерительной линейки, точностью определения положения перемещаемого рупора и точностью определения положения минимума стоячей волны в волноводе, которое обычно осуществляется с помощью метода вилки.

Кроме этого, точность измерений зависит от положения образца диэлектрика между антеннами, наличием переот30

35 где

0 — коэффициент преломления св ободного п рост ра нс тв а, 8 — угол падения электромагнитного поля, отсчитываемый от нормали к поверхности образца, град; f. — i-ая частота внутреннего

1 резонанса, Гц;

i=1,2, — номер частоты внутреннего резонанса, начиная с

45 минимальной частоты;

d — толщина образца, см; с — скорость распространения электромагнитного поля в свободном пространст50 ве, см/с;

Е () — целая часть числа.

В устройстве для осуществления данного способа, содержащем измерительную схему, приемную и передающую антенны, установленные с двух сторон образца, приемная и передающая антенны установлены неподвижно, а в измерительную схему дополнительно введены генератор качающейся частоты,соединенный через делитель мощности с

bQ передающей антенной, и устройство регистрации поля в полосе качания частоты, к одному из входов которого через делитель мощности, аттенюатор и детекторную секцию подключен генера65 .рр, а к другому входу подключена

40 ражений в системе и от окружающих измерительный стенд предметов (2j.

Однако в связи с тем, что способ предполагает измерение положения минимума стоячей волны в волноводе без испытуемого образца и с образцом, картина дифракционных полей изменяется при каждом новом цикле измерений, что существенно снижает точность из— мерений. Оценка относительной среднеквадратической ошибки измерений дает величину не менее 7-10%.

Цель изобретения — ускорение и повышение точности измерений в заданном диапазоне частот, упрощение конструкции.

15 Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения коэффициента преломления плоских образцов диэлектрика в свободном пространстве, основанному на измерении часЩ тоты электромагнитного поля, измеряют, по крайней мере, три последовательно расположенных частоты 1„ внутреннего резонанса образца, соответствующие максимальной и минимальной прозрачности, а коэффициент преломления п. определяется с помощью выраже1 ния

857799 через детекторную секцию, приемная антенна.

На фиг. 1 представлена блок схема устройства, на фиг. 2 и 3 — дисперсионные зависимости коэффициента преломления n(f) и коэффициента прохождения поля Т({ ) образца диэлектрика (кривые 12 и 13 соответственно).

Величинами обозначены значения частот внутреннего резонанса образца, соответствующие максимальной и минимальной прозрачности. Закон преломления, в данном случае, принят нормальным.

Сигнал от генератора 1 качающейся частоты разветвляется на две части делителем 2 мощности. Одна часть излучается передающей антенной 3 (например, рупором), другая часть через прецизионный аттенюатор 4 и детекторную секцию 5 подается на индикаторное устройство б с самописцем 7 и служит 20 опорным сигналом. Вь{сокочастотный сигнал, излученный антенной 3, проходит через образец диэлектрика 8 и принимается приемной антенной 9 (например, рупором). 25

Принятый сигнал через детекторную секцию 10 также подается на индикаторное устройство 6. Пространство, в котором расположен испытываемый образец„ экранированно поглощающим материалом 11 для уменьшения влияния переотражений на точность измерения.

Генератор и индикаторное устройство охвачены синхронизацией. Если на откалиброванный стенд устанавливается испытываемый образец диэлектрика, то индикаторное устройство с помощью самописца и осцилографа (не показаны) фиксирует величину прошедшего через образец поля в полосе качания частоты,а также частоты внутреннего резо- 40 нанса образца (частоты максимальной и минимальной прозрачности). При необходимости процесс измерений может быть полностью автоматизирован.При этом результаты измерения частот внутреннего резонанса подаются непосредственно на ЭВМ, где происходит их соответствующая обработка, определение величины коэффициента преломления на резонансных частотах и графическое построение дисперсионных зависимостей (в диапазоне частот) коэффициента преломления в заданном масштабе.

Коэффициент преломления образца и. на любой резонансной частоте f в заданном диапазоне частот опреде1 ляют из следующих соображений. На частоте внутреннего резонанса модуль коэффициента прохождения образца

T(fj ) 60 где d с

i 1,2..—

Учитыва лиуса по51hO "-h (9 )51 {9, (6) где n — коэффициент преломления свободного пространства, 0 — угол падения электромагнитного поля, отсчитываемый от нормали к поверхности образца, град.

Из формулы (5) находим

{{ . {/П 511{йQ+(gP< .(.1) о 4Ж„

Число четвертей длин волн PÄ укладывающихся в образце, определяется на основе измерения трех произвольных последовательных значений частот внутреннего резонанса, начиная, например, с минимальной. Это исключает необходимость иметь в наличии два образца диэлектрика различной толщины.

Определение числа P осуществляется следующим образом.

Пусть измерены значения коэффициента преломления в трех последовательных точках на частотах внутреннего резонанса. На отрезках (f<, f2 ) и (f <, f+ ) коэффициент преломления изменяется на величину дп(У) .Если на частоте f на толщине испыты2 ваемого образца укладывается P чет- вертей волн, можно записать

Д И)= (4)-И 8 )=i1y >.-И(< ) =

Т() 4 zz Zz (22„Ъ уЮ

Ьис(! 2 +z 1 (Z

n (& ) — коэффициент преломления образца, Z u Z — нормальные импе2 дансы свободного пространства и образца диэлектрика соответственно принимает свое максимальное (равное

1 без учета потерь) или минимальное значение. Это происходит лишь в том случае, когда выполняется соотношение

{{(6)dco58 4 с, Р (5) толщина образца, см; скорость распространения электромагнитного поля в свободном пространст" ве, см/c, i-ая частота внутреннего резонанса, Гц, номер частоты внутреннего резонанса, начиная с минимальной частоты, целое число четвертей длин волн, укладывающихся в образце диэлектрика на частоте я закон преломления Снел857799

Из соотношения (8) с учетом (5),имеем

s,(„-,p

Р= (9)

21„7 -т 5 -1„1

Число Р определено на частоте f .Ïoэтому коэффициент преломления образца на произвольной i-ой частоте внутреннего резонанса определяется иэ соотношения !О й".(, ла„,.,,;,„, „ ((о) где Е(J- целая часть числа. 15

В измерение частот f вносятся по4 грешности, расчетная величина Р не является целым числом, а отличается от него в меньшую или большую сторону. Поэтому при определении числа Р 20 следует брать целую часть Ef 1, равную наиближайшему целому. Более просто, но менее точно число P определяют по двум значениям частот

Отличие предлагаемого устройства 25

1 от известного состоит в том, что в процессе измерений в диапазоне час.— тот не требуется передвижение приемной нли передающей антенн, снимать со стенда и устанавливать на стенд испытываемый образец. Картина дифракционных полей между передающей и приемной .антеннами практически не изменяется (для каждого фиксированного значения частоты). Облегчается и возможность полной экранировки про- З5 странства измерений поглощающим материалом.(антенны и образец неподвижны), что исключает влияние переотражений от частей стенда и других пред. метов на результаты измерений. 40

Сам процесс измерений, таким образом, сводится к измерению частот максимальной и минимальной прозрачностн образца диэлектрика в заданном диапазоне частот. 45

В предлагаемом устройстве, в отличие от известного, в измерительную схему дополнительно введены генератор качающейся частоты и устройство регистрации прошедшего через испытываемый образец поля в полосе качания.

В устройстве отсутствует подвижная каретка с микрометрическим винтом для перемещения одного иэ рупоров.Таким образом снижается трудоемкость процесса. Данные с устройства регистрациф непосредственно вводят в ЭВМ для обработки и определения коэффициента преломления образца диэлектрика и диапазоне частот.

Использование предлагаемого спосо- еО ба и устройства для измерения коэффициента преломления образцов диэлектрика обеспечивает по сравнению с известными способами следующие преимущества: 65!

3. Уменьшаются:трудозатраты на цикл измерений коэффициента преломления.

4 . Появляется ч о эможнос ть а в томатизировать процесс измерений с использованием вычислительной техники.

5. Определение дисперсии коэфф и ц ента преломления образцов естестивенных и искусственных диэлектрик ов ироком диапазоне частот за один цикл измерений.

Формула изобретения

1. Способ определения коэффициента преломления плоских образцов диэлектрика в свободном пространстве, основанный на измерении частоты электромагнитного поля, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью ускорения и повышения точности измерений в заданном диапазоне частот, измеряют, по крайней мере, три последовательно расположенных частоты (; внутреннего резонанса образца, соответствующие максимальной и минимальной прозрачности, а коэффициент преломления и определяют с помощью выражения

n;=g где п

О коэффициент преломления свободного пространства; угол падения электромагнитного поля, отсчитываемый от нормали к поверхности образца, град, t-ая частота внутреннего резонанса, Гц ;

1. Отсутствует необходимость периодически снимать и устанавливать образец на стенд, перемещать одну из антенн в пространстве, а также проводить цикл измерений на одной фиксированной частоте, что ускоряет процесс измерения коэффициента преломления в заданном диапазоне частот.

2. Повышается точность измерения коэффициента преломления, так как весь процесс измерений сводится к измерению частот внутреннего резонанса образца, что с помощью современной аппаратуры может быть сделано с высокой точностью (до 1-2%). Отсутствуют погрешности, возникающие из-за перераспределения картины дифракционных полей вследствие перестановки образца диэлектрика и смещения одной из антенн в пространстве в процессе измерений.

857799

i 1,2. — номер частоты внутреннего резонанса, начиная с минимальной частоты, 4 - толщина образца, см; с - скорость распространения электромагнитного поля в свободном пространстве, см/с;

E f — целая часть числа.

2. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее измерительную схему, приемную и передающую антенны, установленные с двух сторон образца, о т л н ч а ю щ е е с я тем, что приемная и передающая антенны установлены неподвижно, а в изме- $$ рительную схему дополнительно введены генератор качающейся частоты,соединенный через делитель мощности с передающей антенной, н устройство регистрации поля в полосе качания частоты, к одному иэ входов которого через делитель мощности, аттенюатор и детекторную секцию подключен генератор, а к другому входу подключена, через детекторную секцию, приемная антенна.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Валитов Р.A. и Сретенский В.Н.

Радиоизмерения на сверхвысоких частотах. м., 1951, с. 370.

2. Врандт А.A. Исследование ди электриков на сверхвысоких частотах.

М., Госуд. изд-во физико-матем. лит-ры, 1963, с. 304.

857799

F3

zzz л, г э

@uz.2

11 6 3 фиг.5

Составитель В. Юртаев

Редактор Н. Рогулич Техред А. Бабинец КорректорМ. Пожо

Заказ 7230/70 Тираж 907 Подп ис ное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, X-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент", r. ужгород, ул. Проектная, 4