КОАКСИАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ РЕЗОНАТОР С ЦИЛИНДРИЧЕСКИМ ЭЛЕКТРОДОМ И РЕГУЛИРУЕМЫМ ЕМКОСТНЫМ ЗАЗОРОМ
COAXIAL MEASURING RESONATOR WITH CYLINDRICAL ELECTRODE AND REGULATED CAPACITY GAP

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к измерительным резонаторам СВЧ для определения относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь.
Известные коаксиальные резонаторы состоят из цилиндрического металлического корпуса, центрального проводника в виде двух соосных электродов, закрепленных на торцевых крышках резонатора и разделенных между собой емкостным «укорачивающим» измерительным зазором. Зазор между торцевыми поверхностями электродов образует конденсатор. На заданной резонансной частоте емкость этого конденсатора позволяет существенно уменьшить длину резонатора относительно полуволновой при сохранении достаточно высокой добротности. Резонаторы такого типа находят применение в дециметровом диапазоне электромагнитных волн. Центральные электроды имеют фиксированную высоту и установлены неподвижно на нижней и верхней жестких торцевых крышках. При этом высота измерительного зазора, в который помещается измеряемый образец, оказывается неизменной [1], что не позволяет плотно зажать образец в зазоре между электродами и снижает точность измерения.
Для возможности ввода образца в измерительный зазор его начальная высота должна быть больше толщины измеряемого образца. После помещения образца зазор должен быть уменьшен до толщины образца, с тем, чтобы при измерении образец был плотно зажат между электродами. Поэтому существует необходимость регулирования высоты измерительного зазора. Регулирование зазора позволяет также перестраивать резонатор по частоте.
Известны коаксиальные резонаторы с регулируемым емкостным измерительным зазором [2] [3] [4]. В известных резонаторах [5] изменение высоты зазора осуществляется перемещением одного из центральных электродов в упругой цанге, обеспечивающей подвижный электрический контакт электрода с торцевой крышкой [6] (Фиг. 1).
Недостатками таких резонаторов являются: непостоянство на СВЧ сопротивления в подвижном контакте, омические потери в контакте, снижающие добротность резонатора, сложность изготовления подвижного контакта высокого качества и ограниченное число перемещений электрода из-за изнашивания трущихся деталей в контакте. Непостоянство сопротивления в контакте при перемещении электрода приводит к скачкам резонансной частоты и добротности резонатора и к снижению точности измерений.
Наиболее близким аналогом предлагаемого резонатора является коаксиальный измерительный резонатор, состоящий из цилиндрического корпуса, двух торцевых крышек с закрепленными на них электродами, один из которых выполнен в виде упругого металлического сильфона с дном, образующим поверхность емкостного измерительного зазора [5] (Фиг. 2). Длина сильфона принудительно изменяется путем его растяжения или сжатия и, тем самым, изменяет высоту измерительного зазора.
Недостатком данного резонатора являются повышенные омические потери энергии колебания при протекании поверхностных токов по электроду-сильфону за счет увеличения пути протекания токов по гофрированной поверхности в сравнении с гладким цилиндрическим электродом. Следствием этого является снижение добротности резонатора. Другой недостаток состоит в изменении реактивной части импеданса гофрированной поверхности электрода из-за изменения глубины и периода гофра при растяжении/сжатии сильфона. Следствием этого является неконтролируемое смещение экспериментальной резонансной частоты от расчетной теоретической и снижение точности измерения диэлектрических параметров.
Таким образом, недостатками известных резонаторов являются:
1. Невысокая добротность и нестабильность контактного сопротивления в подвижном контакте.
2. Изменение импеданса гофрированной поверхности электрода - сильфона при его растяжении/сжатии и неконтролируемый сдвиг резонансной частоты.
Наиболее близким аналогом заявляемого резонатора является коаксиальный измерительный резонатор (Фиг. 2) [5], в котором верхний центральный электрод изготовлен в виде металлического сильфона и на внешней поверхности верхней крышки резонатора расположен микрометрический винт с упором в торцевую стенку верхнего электрода внутри сильфона. Микрометрический винт растягивает или сжимает сильфон и тем самым меняет длину верхнего электрода и высоту измерительного зазора.
Гофрированная поверхность сильфона обладает импедансом, изменяющимся при изменении его длины и параметров гофра, что вызывает отклонение резонансной частоты от расчетной и дополнительную погрешность в измерениях диэлектрической проницаемости образцов и тангенса угла диэлектрических потерь. Гофрированная поверхность удлиняет путь протекания поверхностного тока и уменьшает добротность резонатора, что снижает чувствительность и точность измерения диэлектрических параметров в резонаторе.
Таким образом, в наиболее близком аналоге заявляемого резонатора (прототипе) имеются указанные выше недостатки
Задачей изобретения является повышение точности измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь слабопоглощающих диэлектриков в коаксиальном резонаторе дециметрового диапазона волн.
Технический результат достигается тем, что в заявляемом резонаторе (Фиг. 3):
1. Торцевая крышка резонатора с цилиндрическим электродом выполнена в виде упругой металлической диафрагмы (мембраны), прогибаемой для перестройки высоты измерительного зазора до полного контакта электродов (исключения измерительного зазора).
2. Оба электрода имеют гладкие поверхности с одинаковым импедансом, не изменяющимся при регулировании измерительного зазора.
Изобретение поясняется чертежами.
На Фиг. 1 представлен коаксиальный измерительный резонатор с контактом в подвижном электроде; на Фиг. 2 - коаксиальный измерительный резонатор с электродом-сильфоном (прототип); на Фиг. 3 - коаксиальный измерительный резонатор с цилиндрическим центральным электродом и регулируемым емкостным зазором за счет деформации торцевой крышки-мембраны; на Фиг. 3а - коаксиальный измерительный резонатор с цилиндрическим центральным электродом и замкнутым регулируемым зазором при деформации торцевой крышки-мембраны, на Фиг. 3б - коаксиальный измерительный резонатор с цилиндрическим центральным электродом и установленным измеряемым образцом; на Фиг. 3в - коаксиальный измерительный резонатор с цилиндрическим центральным электродом и перестраиваемым емкостным зазором с измеряемым образцом.
Коаксиальный измерительный резонатор с цилиндрическим корпусом 1, центральным соосным проводником в виде двух нижнего 2 и верхнего 3 цилиндрических электродов одного диаметра с измерительным зазором 4 между ними, торцевая крышка резонатора выполнена в виде упругой металлической мембраны 5 с закрепленным на ней цилиндрическим электродом. Для регулировки зазора между электродами предусмотрен микрометрический винт 6.
Устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии мембрана прогнута микрометрическим винтом и электроды сведены вместе (замкнуты). На микрометре устанавливают величину измерительного зазора, равную нулю (обнуляют показания микрометра). Затем электроды разводят микрометрическим винтом до образования измерительного зазора, достаточного для ввода в него измеряемого образца. При этом прогиб упругой мембраны уменьшается. Далее помещают измеряемый образец в зазор и электроды сводят микрометрическим винтом до плотного зажима образца между ними. Величина зазора при этом равна толщине образца и измеряется микрометром. Измеряют резонансную частоту и добротность резонатора с образцом. После этого электроды разводят для извлечения образца и образец извлекают из резонатора. Микрометрическим винтом восстанавливают величину зазора до ее значения в резонаторе с образцом, измеряют резонансную частоту и добротность резонатора без образца и рассчитывают диэлектрические параметры образца.
Торцевая крышка резонатора - упругая мембрана - содержит только 1 - 2 гофра, практически не меняет своего импеданса при деформации и не вносит неконтролируемый сдвиг в резонансную частоту. Плотность поверхностных токов на торцевой крышке-мембране существенно меньше, чем на электроде, и путь поверхностных токов на гладком электроде не увеличивается, что обеспечивает максимальную добротность резонатора, стабильность его параметров и высокую точность измерений в нем.
Источники информации:
1. Патент на изобретение №2626746. Коаксиальный измерительный резонатор с неизлучающим окном для ввода образца.
2. Карих Н.М., Матвейчук В.Ф., Серов А.В., Сибирцев С.Н., Черноусова Н.Н. Государственный первичный эталон единиц относительных диэлектрической и магнитной проницаемостей в диапазоне частот 1 МГц - 18 ГГц // Измерительная техника, 2010, №9, с. 3-7.
3. Baker-Jarvis J., Riddl B.F. Dielectric Measurements Using a Reentrant Cavity: Mode-Matching Analysis // NIST Technical Note 1384, 1996, P. 1-13.
4. Брандт A.A. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах, М.:, ГИФМЛ, 1963, С. 70-78.
5. ГОСТ 27496.1-87, ГОСТ 27496.2-87, (МЭК 377-1-73, МЭК 377-2-77) Материалы электроизоляционные. Методы определения диэлектрических свойств на частотах свыше 300 МГц., с. 23. (и более поздняя редакция стандарта МЭК: IEC 60377-2 Recommended methods for the determination of the dielectric properties of insulating materials at frequencies above 300 MHz. Part 2: Resonance methods, p.33).
6. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. М. Высшая школа, 1970, стр. 335, рис. 10.15.