Способ измерения относительной комплексной диэлектрической проницаемости материала с потерями в СВЧ диапазоне
METHOD OF MEASUREMENT RELATIVE COMPLEX PERMITTIVITY OF MATERIAL WITH LOSSES IN MICROWAVE RANGE

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
2
R=2D/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),
в
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 θ, 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
В диапазоне углов падения от 40 до 90° определяют угол θ, 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.
в
в
2
По измеренному углу Брюстера θ относительную комплексную диэлектрическую проницаемость ε образца материала рассчитывают по формуле ε=(tgθ).
в
в
Так, например, при угле Брюстера θ, равном 56°, tgθ=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.
в
в
в
2
2
На графике фиг. 2 угол Брюстера θ равен 64° при расчетном значении ε=4,3. В соответствии с формулой ε=(tgθ)=(2,05)=4,25, погрешность определения ε по углу Брюстера θ составляет 1%.
в
в
в
2
2
На графике фиг. 3 угол Брюстера θ равен 76° при расчетном значении ε=17. В соответствии с формулой ε=(tgθ)=(4,05)=16,5, погрешность определения ε по углу Брюстера θ составляет 3%.
в
в
в
2
2
На графике фиг. 4 угол Брюстера θ равен 83,5° при расчетном значении ε=80. В соответствии с формулой ε=(tgθ)=(8,8)=78 погрешность определения ε по углу Брюстера θ составляет 2%.
в
в
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=(tgθ), отличаются не более чем на 3%. Поэтому правомерно рассчитывать значения относительной комплексной диэлектрической проницаемости земных покровов по углу Брюстера θ, определенного из графика зависимость коэффициента отражения Френеля от угла падения на плоский участок земного покрова.