УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ

Заявляемая полезная модель относится к области измерительной техники на сверхвысоких частотах (СВЧ) и может быть использована при неразрушающих измерениях комплексной диэлектрической ε∗=ε'-iε” проницаемости наноструктурных тонкопленочных диэлектрических и магнитодиэлектрических материалов. Основным требованием к рассматриваемым устройствам является осуществление измерений в СВЧ диапазоне высоких значений ε' и широким диапазоном значений ε”.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для измерения высоких значений комплексной диэлектрической проницаемости (патент РФ №2.247.399, БИ №6, 2005 г.). Устройство содержит волноводный резонатор, состоящий из короткозамкнутого отрезка прямоугольного волновода с продольной щелью на боковой стенке, волноводный тракт, связанный с резонатором через диафрагму и устройство измерения резонансной частоты и добротности резонансов. Сначала продольная щель резонатора закрывается эталонным короткозамыкателем и измеряются резонансная частота и добротность резонатора, затем прикладывается исследуемый образец и измерения повторяются. Из полученных результатов измерений определяются действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости образца.
Однако указанное устройство имеет следующие недостатки:
- оно непригодно для раздельного от магнитной проницаемости измерения диэлектрической проницаемости в магнитодиэлектриках из-за протяженного размера продольной щели;
- непригодно для измерения комплексной диэлектрической проницаемости высокоимпендансных образцов, так как в этом случае сильно нарушается картина распределения токов в области щели (которая для повышения чувствительности имеет косые надрезы) резонатора;
- расчет диэлектрической проницаемости по измеренным амплитудно-частотным характеристикам резонатора даже для высокоимпендансных образцов сталкивается с большими сложностями из-за сложной геометрии продольной щели в волноводе и внешнего расположения образца. Таким образом необходимо было решить задачу по устранению искажений, вызванных сложной геометрией продольной щели при обеспечении необходимой картины распределения электрического тока в области щели.
Целью заявляемой полезной модели является обеспечение возможности отдельного от магнитной проницаемости измерения комплексной диэлектрической проницаемости тонкопленочных магнитодиэлектрических образцов, расширение диапазона измеряемых значений ε' и ε” как высокоимпендансных, так низкоимпендансных диэлектриков и магнитодиэлектриков, упрощение расчета диэлектрической проницаемости по измеренным амплитудно-частотным характеристикам резонатора.
Поставленная цель достигается тем, что резонатор из короткозамкнутого отрезка регулярного волновода включен напроход и снабжен элементами связи с измерительной схемой, а в середине резонатора выполнен узкий паз перпендикулярно оси волновода. При измерениях исследуемые и эталонные образцы устанавливаются в паз волновода. Элементы связи могут представлять собой диафрагмы в волноводе или слабосвязанные волноводно-коаксиальные переходы. При необходимости обеспечения контроля листовых диэлектрических материалов большой площади с произвольной по периметру формой листа паз может прорезать волновод насквозь с достижением того же технического результата.
Технический результат при осуществлении заявляемой полезной модели заключается в том, что при применении предлагаемой конструкции резонатора осуществляется расширение диапазона измеряемых диэлектрических материалов от низкоимпендансных до высокоимпендансных, увеличивается точность измерения диэлектрической проницаемости магнитодиэлектрических материалов как за счет исключения вклада от магнитной проницаемости при определении диэлектрической проницаемости, так и за счет увеличения добротности измерительного резонатора.
При проведенном заявителем анализе уровня техники, включающем поиск по патентным и научно-техническим источникам информации с выявлением источников, содержащих сведения об аналогах заявляемой полезной модели, устройств аналогичного назначения с перечнем существенных признаков, что и у заявляемого устройства, обнаружено не было. Это дает основания утверждать о соответствии предлагаемого устройства критерию патентоспособности «новизна» для полезной модели.
Предлагаемую полезную модель иллюстрируют:
Фиг.1 - блок-схема измерений, где 1 - анализатор цепей, 2 - измерительная ячейка в виде резонатора стоячей волны, 3 - измеряемый образец.
Фиг.2 - резонатор стоячей волны, где изображен вариант конструкции резонатора из отрезка примоугольного волновода с пазом до середины волновода: 1 - отверстия связи; 2 - разрез волновода; 3 - измеряемый образец.
Фиг.3 - Графики зависимости передаточных характеристик измерительного резонатора: 1 - без образца, 2 - с кварцевым образцом, 3 - с поликоровым образцом, 4 - с образцом из радиопоглощающего материала.
Пример реализации полезной модели приведен на Фиг.2, где 1 - резонатор стоячей волны выполнен из отрезка короткозамкнутого прямоугольного волновода, с узким пазом - 2 под образец - 3 и средства связи резонатора - 4 с устройством измерения резонансной частоты и добротности резонансов. В качестве устройства измерения резонансной частоты и добротности резонансов используется векторный анализатор цепи ZVA-40. В качестве средства связи резонатора с подводящими волноводами (на фиг.2 не указаны) используются отверстия связи - 4. Измеряемый образец 3 вставляется в паз - 2.
Устройство работает следующим образом. Анализатор цепей через волноводы и элементы связи (диафрагмы) подключается к измерительному резонатору. Спектр и добротности собственных колебаний регистрируются анализатором цепи. Для любых собственных резонансных частот на полной электрической длине резонатора укладывается целое число полуволн. При четном числе полуволн установленный в паз резонатора образец оказывается в пучности магнитного поля, при нечетном в пучности электрического. Когда пучность электрического поля располагается в центре резонатора, узкий паз, в который устанавливается образец, оказывается параллелен току в стенках волновода и поэтому паз является неизлучающим и не влияет на картину распределения электромагнитного поля.
Внесение исследуемых диэлектрических образцов в резонатор приводит к изменению значений резонансных частот и добротностей резонансов соответствующего пучностям электрического поля в центре резонатора спектра колебаний. Геометрические размеры резонатора много больше толщины образца, и установка его в паз резонатора незначительно изменяет картину электрического и магнитного полей установившихся колебаний резонатора.
Поэтому анализ влияния материальных параметров образца на резонансные частоты и добротности резонатора можно проводить, используя метод малых возмущений [А.А.Брант, Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах., ФМ ГИЗ, Москва 1963 г., с.93], в соответствии с которым изменение резонансной частоты, при внесении в него малого образца в пучности электрического поля имеет вид:
1
0
0
1
где f - собственная частота невозмущенного резонатора, δf=f-f - изменение частоты при внесении диэлектрика, ε' - действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости образца, а
2
представляет собой энергию, запасенную в резонаторе с воздушным заполнением. Если ε' постоянна в объеме образца, то (1) можно представить в виде:
3
ε
где M - постоянный коэффициент, зависящий от распределения поля в резонатор и месторасположения образца. Для конструкции прямоугольного резонатора с пазом до половины волновода:
4
где А - ширина волновода, В - высота волновода, L - длина волновода, h - толщина пластинки образца, l - высота паза резонатора.
Для любого типа волны электрического поле в регулярном волноводе представляется произведением [В.В.Никольский, Электродинамика и распространение радиоволн., Наука, Москва 1973 г., с.357]:
5
Где β - это волновое число, которое для резонансных частот предлагаемого устройства имеет вид , n - натуральное число равное числу полуволн, укладывающихся в резонаторе. Откуда (5) для действительной части векторного электрического поля выражается формулой:
6
Подстановка уравнения (6) в (4) с учетом симметрии по у и нечетности n дает
7
В пределе h→0 зависимость от n исчезает и
8
Вычисление комплексной части диэлектрической проницаемости ε” возможно из результатов измерений добротностей свободного и нагруженного образцом резонатора. Так, добротность пустого резонатора выражается формулой
9
0
где Р - мощность потерь в резонаторе, . При внесении образца диэлектрика добротность изменяется за счет небольших изменений Р, W и ω так, что добротность резонатора с образцом будет иметь вид:
10
Если объем внесенной в резонатор части диэлектрика значительно меньше объема резонатора, то -  и . С учетом этого, вычитание  из  дает:
11
Изменение мощности рассеивания связано с комплексной частью диэлектрической проницаемости ε” - образца выражением [В.В.Никольский, Электродинамика и распространение радиоволн., Наука, Москва 1973 г., с.374]:
12
Подстановка этого выражения в 10 с учетом 2 и 4 дает для ε”:
13
ε,n
В случае, когда паз прорезает волновод полностью, выражение для М(h)в формулах (3) и (13) принимает вид:
14
Для экспериментального определения комплексной диэлектрической проницаемости был использован резонатор с размерами А=5.5 мм, В=11 мм, L=90 мм, l=5,5 мм. Диафрагмы были выполнены из медной посеребренной фольги с диаметром отверстий 1.5 мм. Резонатор подключался к векторному анализатору ZVA-40.
На Фиг.3 приведены данные:
1 - для резонатора без образца;
2 - с образцом из кварца, ε'=4 при толщине образца 0.5 мм;
3 - с образцом из поликора, ε'=9.6 при толщине образца 0,48 мм;
4 - РПМ в виде пленки аморфного гидрогенезированного углерода с наночастицами никеля на гибкой подложке из арамидной ткани (образец №151-1), при толщине пленки 0,001 мм.
В таблице приведены значения экспериментальных данных и рассчитанных по ним с помощью полученных выше формул величин действительной и мнимой компонент относительной диэлектрической проницаемости радиопоглощающего материала на кевларе, кварца и поликора.
Таблица
Число полуволн резонанса
3
5
7
9
11
Центральная частота резонанса, [ГГц]
Ненагруженный резонатор
14,421
15,879
17,853
20,175
22,742
Резонатор, нагруженный кварцем
14,343
15,789
17,746
20,049
22,586
Резонатор, нагруженный РПМ
14,212
15,617
17,528
19,751
22,105
Резонатор, нагруженный поликором
14,189
15,586
17,484
19,685
21,986
Добротность
Ненагруженный резонатор
2884
1985
939
1834
1895
Резонатор, нагруженный кварцем
2869
1974
845
2005
1737
Резонатор, нагруженный РПМ
447
292
264
183
50
Резонатор, нагруженный поликором
2369
1952
730
1646
1228
Вещественная часть комплексной диэлектрической проницаемости
кварц
2.6
3.1
3.2
3.3
3.3
РПМ
1182
1268
1403
1621
1646
поликор
6.5
7.3
8.
9.
11.8
Мнимая часть комплексной диэлектрической проницаемости
РПМ
604
934
869
1571
613
Измеренные по описанной выше методике значения относительной комплексной диэлектрической проницаемости образца РПМ 151-1 в диапазоне частот от 14 ГГц до 23 ГГц имеют значения для действительной части от 1180-1600 и для мнимой части от 600 до 1500, что на два порядка больше, чем для действительной части диэлектрической проницаемости поликора и на пять порядков больше, чем для комплексной части диэлектрической проницаемости поликора. Методика измерений является неразрушающей и позволяет проводить быстрые абсолютные измерения комплексной диэлектрической проницаемости образцов РПМ с высокими значениями частей комплексной диэлектрической проницаемости.