СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ АНИЗОТРОПНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
METHOD OF DETERMINING DIELECTRIC PERMEABILITY OF ANISOTROPIC DIELECTRICS

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для определения поперечной анизотропии диэлектриков в диапазоне СВЧ, и может быть использовано при контроле качества твердых диэлектрических материалов и покрытий в процессе разработки и эксплуатации радиопоглощающих материалов и покрытий, а также в химической, лакокрасочной и других отраслях промышленности.
7
01р
cmv
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ измерения диэлектрической проницаемости материалов [Авторское свидетельство SU №1758530 А1, МПК G01N 22/00, Заявл. 07.03.1990. Опубл. 30.09.1992. Бюл. №32] заключающийся в облучении диэлектрического образца электромагнитной волной, за счет возбуждения несимметричной волны Н в круглом волноводе, в котором располагают диэлектрический образец, выполненный в виде пластины, ортогонально продольной оси круглого волновода, определении минимальной и максимальной частот минимума K путем вращения пластины в плоскости, ортогональной оси круглого волновода и расчете значений поперечной анизотропии.
Недостатками способа являются низкая точность, достоверность и чувствительность измерений поперечной анизотропии диэлектрических материалов, а также ограниченный частотный диапазон измерений.
Низкая точность, достоверность и чувствительность измерений обусловлена тем, что, в прототипе для проведения измерений необходим специально подготовленный образец в виде круглой пластины, точно соответствующей диаметру круглого волновода. При несоответствии размеров образца диаметру волновода возникают погрешности измерений, связанные с наличием щели между краем образца и стенкой волновода.
При анализе результатов измерения в прототипе предполагается, что в круглом волноводе существует только основная мода электромагнитной волны. Возбуждение высших мод, распространяющихся по волноводу и взаимодействующих с элементами волноводного тракта, является источником дополнительной погрешности.
На погрешность измерений влияет также толщина исследуемого образца. При проведении измерений в круглом волноводе оптическая толщина образца исследуемого диэлектрика должна быть меньше 1/2. Кроме того, в прототипе диапазон частот измерений ограничен геометрическими размерами волновода и не позволяет исследовать поперечную анизотропию диэлектриков в широкой полосе частот. В общую погрешность измерений вносят вклад неоднородности измерительного тракта круглого волновода.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности, достоверности и чувствительности измерений поперечной анизотропии диэлектрических материалов, а также расширение частотного диапазона измерений.
01р
cmv
1
2
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе измерения диэлектрической проницаемости материалов, заключающемся в облучении диэлектрического образца электромагнитной волной, за счет возбуждения несимметричной волны Н в круглом волноводе, в котором располагают диэлектрический образец, выполненный в виде пластины, ортогонально продольной оси круглого волновода, определении минимальной и максимальной частот минимума K, путем вращения пластины в плоскости, ортогональной оси круглого волновода и расчете значения поперечной анизотропии, диэлектрический образец размещают на металлической подложке и последовательно возбуждают в нем радиальные поверхностные электромагнитные волны на двух близких длинах волн генератора λ и λ, при условии, что
измеряют значения коэффициента затухания каждой их двух поверхностных волн над диэлектрическим образцом в точках вдоль всей длины окружности, с центром совпадающим с точкой возбуждения радиальных поверхностных волн, с шагом по углу  n - количество точек измерения коэффициента затухания, по длине окружности,
max
min
для каждой длины волны, из ряда измеренных вдоль окружности значений коэффициентов затухания находят максимальное α и минимальное значения α,
max
min
1
2
направления двух главных осей поперечной анизотропии исследуемого материала определяют по двум направлениям: одно задается линией проведенной между центром возбуждения радиальной поверхностной волны и ее максимальным α значением коэффициента затухания, а второе линией между центром возбуждения поверхностной волны и ее минимальным α значением коэффициента затухания, соответственно, любой из двух длин волн λ или λ,
x
у
z
определение значений диэлектрической проницаемости поперечных компонент тензора диэлектрической проницаемости ε, ε и его нормальной компоненты ε осуществляют путем решения системы дисперсионных уравнений:
λ1(max)
1
λ1(min)
1
λ2(max)
2
λ2(min)
2
где α - максимальное значение коэффициента затухания на длине волны λ; α - минимальное значение коэффициента затухания на длине волны λ; α - максимальное значение коэффициента затухания на длине волны λ; α - минимальное значение коэффициента затухания на длине волны λ.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Предлагаемый способ позволяет повысить точность, достоверность и чувствительность измерения поперечной анизотропии диэлектрических материалов, а также расширить частотный диапазон измерений.
Сущность изобретения заключается в том, что структура поля радиальной поверхностной волны возбужденной в анизотропном диэлектрике различна по двум направлениям главных осей поперечной анизотропии и определяется ее коэффициентом затухания. Коэффициент затухания радиальной поверхностной волны принимает экстремальные значения вдоль направлений главных осей поперечной анизотропии. При этом, если значение диэлектрической проницаемости поперечной компоненты одной из двух главных осей анизотропии больше значения диэлектрической проницаемости поперечной компоненты другой главной оси анизотропии, коэффициент затухания радиальной поверхностной волны на этой оси в этом случае имеет максимальное значение, а вдоль другой оси минимальное.
Измерение коэффициента затухания радиальной поверхностной волны в точках вдоль окружности, с центром совпадающим с точкой возбуждения радиальных поверхностных волн, позволяет построить зависимость изменения коэффициента затухания в исследуемом диэлектрике вдоль этой окружности и оценить, как он меняется при прохождении главных осей поперечной анизотропии. Это позволяет определить направления поперечных осей анизотропии исследуемого диэлектрика, по направлениям экстремальных значений коэффициента затухания относительно центра возбуждения радиальной поверхностной волны и, кроме того, вычислить компоненты диэлектрической проницаемости тензора диэлектрической проницаемости.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить точность, достоверность и чувствительность проводимых измерений, так как измерения коэффициента затухания относительны и не зависят от расстояния приемной антенны от поверхности, не требуется специальных мер отстройки от зазора и подготовки образца. Образец может быть произвольной формы и размеров, что позволяет проводить измерения непосредственно на объекте контроля. Основным требованием является возможность возбудить радиальные поверхностные электромагнитные волны.
Кроме того, предлагаемый способ, в отличие от прототипа, с одинаковой точностью работают на любых частотах, на которых выполняются условия возбуждения и распространения радиальных поверхностных электромагнитных волн в системе «металлическая подложка-анизотропный диэлектрик». При этом измерения коэффициента затухания возможно проводить на любом высшем типе мод радиальной поверхностной волны. Использование высших типов волн радиальных поверхностных электромагнитных волн основано на том свойстве, что экспоненциальный закон распределения поля поверхностной волны в свободном пространстве над поверхностью сохраняется одинаковым для любого типа волны. Таким образом, расширяется частотный диапазон измерений исследуемых образцов и он не ограничен размерами волноводного тракта.
На фиг. 1 представлен один из возможных вариантов реализации предлагаемого способа определения электрофизических параметров анизотропных диэлектриков, где цифрами обозначено 1 - блок перемещения приемной антенны, 2 - приемная антенна, 3 - блок измерения коэффициентов затухания поля радиальной поверхностной электромагнитной волны, 4 - блок определения направлений главных осей поперечной анизотропии и значений диэлектрической проницаемости поперечных и нормальных компонент тензора диэлектрической проницаемости, 5 - генератор СВЧ, 6 - антенна возбуждения радиальной поверхностной электромагнитной волны, 7 - исследуемый материал, 8 - металлическая подложка.
Назначение элементов схемы. Приемная антенна 2 совместно с блоком измерения коэффициентов затухания поля радиальной поверхностной электромагнитной волны 3 предназначены для измерения коэффициентов затухания поля радиальной поверхностной электромагнитной волны.
Измерение коэффициентов затухания радиальной поверхностной электромагнитной волны не отличается от измерения коэффициентов затухания плоской поверхностной электромагнитной волны и, например, может быть осуществлено по результатам косвенных измерений напряженности поля плоской поверхностной волны Е-типа по нормали к поверхности покрытия [Федюнин П.А., Казьмин А.И. Способы радиоволнового контроля параметров защитных покрытий авиационной техники. М.: Физматлит. 2013. стр. 122].
Блок измерения коэффициентов затухания поля радиальной поверхностной электромагнитной волны 3 может быть реализован, например, на основе детекторных СВЧ-диодов, аналогово-цифрового преобразователя, микроконтроллера и персональной электронной вычислительной машины (ПЭВМ) [Branislav Korenko и Marek  Автономный цифровой вольтметр на многоканальном АЦП. Электронный журнал Радиолоцман, 2012, ноябрь. С. 67-70. URL: http://www.rlocman.ru/book/book.html?di=144227 (Дата обращения: 16.09.2019)].
Приемная антенна 2 может быть реализована на основе полуволнового вибратора [Федюнин П.А. Казьмин А.И. Способы радиоволнового контроля параметров защитных покрытий авиационной техники. М.: Физматлит. 2013. стр. 117].
Блок перемещения приемной антенны 1 предназначен для перемещения приемной антенны 2 над исследуемым анизотропным диэлектрическим материалом вдоль окружности с центром совпадающим с точкой возбуждения радиальных поверхностных волн, с целью измерения значений ее коэффициента затухания вдоль окружности с шагом по углу Δθ=2π/n, n - количество точек измерения коэффициента затухания, по длине окружности.
Блок перемещения приемной антенны 1 может быть реализован на основе роботизированной системы с числовым программным управлением [Дж. Вильяме Программируемые роботы. Создаем робота для своей домашней мастерской. М.: NT Press, 2006, С. 127-167].
Назначение блока определения направлений главных осей поперечной анизотропии и значений диэлектрической проницаемости поперечных и нормальных компонент тензора диэлектрической проницаемости 4 следует их названия самого блока.
max
min
1
2
Направления двух главных осей поперечной анизотропии в блоке 4 определяют по двум направлениям: одно задается линией проведенной между центром возбуждения радиальной поверхностной волны и ее максимальным α значением коэффициента затухания, а второе линией между центром возбуждения поверхностной волны и ее минимальным α значением коэффициента затухания, соответственно, любой из двух длин волн λ или λ (фигура 2).
х
у
z
Определение значений диэлектрической проницаемости поперечных компонент тензора диэлектрической проницаемости ε, ε и его нормальной компоненты ε исследуемого материала 7 в блоке 4 может быть реализовано путем решения системы из 4 дисперсионных уравнений:
λ1(max)
1
λ1(min)
1
λ2(max)
2
λ2(min)
2
где α - максимальное значение коэффициента затухания на длине волны λ; α - минимальное значение коэффициента затухания на длине волны λ; α - максимальное значение коэффициента затухания на длине волны λ; α - минимальное значение коэффициента затухания на длине волны λ.
1
2
z
Для каждой из главных осей поперечной анизотропии поперечное распределение поля радиальной поверхностной волны совпадает с поперечным распределением для плоской поверхностной волны [с. 561-562 [Харвей А.Ф. Техника сверхвысоких частот. Том 1 / перевод с английского В.И. Сушкевич. М.: Советское радио, 1965. 783 с.]. Таким образом, для каждой длины волны λ и λ составляется по два дисперсионных уравнения - для максимального и минимального значения коэффициента затухания радиальной поверхностной электромагнитной волны, соответственно. Каждое из дисперсионных уравнений системы (1) составляется с учетом нормальной компоненты диэлектрической проницаемости ε по методике приведенной в [р. 11 [Zhuozhu Chen, Zhongxiang Shen Surface Waves Propagating on Grounded Anisotropic Dielectric Slab / Applied Sciences. 2018. №8(1). DOI:10.3390/app8010102],
1
2
Антенна возбуждения радиальных поверхностных электромагнитных волн 6 предназначена для последовательного возбуждения в исследуемом материале 7 радиальных поверхностных электромагнитных волн на двух длинах волн λ и λ.
Антенна возбуждения радиальных поверхностных электромагнитных волн может быть реализована на основе дисковой микрополосковой антенны [Панченко Б.А., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. М.: Радио и связь, 1986, С. 115-124].
Генератор СВЧ 5 реализует формирование СВЧ сигнала на заданной длине волны для антенны возбуждения радиальной поверхностной электромагнитной волны 6. В качестве генератора СВЧ могут быть использованы стандартные цифровые генераторы СВЧ-сигналов, например типа R&S SMB 100А RF, работающий в диапазоне рабочих частот 100 кГц-40 ГГц с максимальной выходной мощностью +18 дБм [https://www.rohde-schwarz.com/ru/product/smb100a-productstartpage_63493-9379.html].
Устройство работает следующим образом.
1
2
2
1
1
1
2
С помощью генератора СВЧ 5 и антенны возбуждения радиальной поверхностной электромагнитной волны 6 в исследуемом анизотропном диэлектрике 7 последовательно возбуждают радиальные поверхностные электромагнитные волны на двух близких длинах волн генератора λ и λ, при условии, что (λ-λ)/λ<<1. Данное условие обеспечивает возможность пренебречь частотной дисперсией материала и соответственно позволяет определять направление главных осей поперечной анизотропии на любой длине волны λ и λ.
1
2
1
2
n
С помощью приемной антенны 2, блока перемещения приемной антенны 1 и блока измерения коэффициентов затухания поля радиальной поверхностной электромагнитной волны 3 для каждой из двух длинах волн λ и λ производят измерение значений коэффициента затухания в точках, вдоль всей длины окружности, с центром совпадающим с точкой возбуждения радиальных поверхностных волн, с шагом по углу  n - количество точек измерения коэффициента затухания, по длине окружности. По результатам измерения для каждой длины волны получают ряд значений коэффициентов затухания α, α, …, α вдоль длины окружности, с центром совпадающим с точкой возбуждения радиальной поверхностной волны.
1
2
n
max
min
В блоке определения направления поперечных осей анизотропии и значений диэлектрической проницаемости поперечных и нормальных компонент тензора диэлектрической проницаемости 4 для каждой длины волны, из ряда измеренных вдоль окружности значений коэффициентов затухания α, α, …, α находят максимальное α и минимальное значения α.
max
min
Из фиг. 2 видно, что коэффициент затухания радиальной поверхностной волны принимает экстремальные значения в момент прохождения главных осей поперечной анизотропии. Максимальное значение коэффициента затухания α соответствует большему значению диэлектрической проницаемости поперечной компоненты главной оси анизотропии, а минимальное значение коэффициента затухания α меньшему значению.
x
у
max
min
1
2
В блоке определения направлений главных осей поперечной анизотропии и значений диэлектрической проницаемости поперечных и нормальных компонент тензора диэлектрической проницаемости 4 определяют направления двух главных осей (ε, ε) поперечной анизотропии исследуемого материала. Определение главных осей поперечной анизотропии производят по двум направлениям: одно задается линией проведенной между центром возбуждения радиальной поверхностной волны и ее максимальным α значением коэффициента затухания, а второе линией между центром возбуждения поверхностной волны и ее минимальным α значением коэффициента затухания, соответственно, любой из двух длин волн λ или λ. Запоминаются координаты направлений главных осей поперечной анизотропии относительно центра возбуждения радиальной поверхностной волны (фигура 2).
max
min
1
2
x
y
z
На основе максимального α и минимального a значений коэффициентов затухания двух длин волн λ и λ определяют значения диэлектрической проницаемости поперечных компонент тензора диэлектрической проницаемости исследуемого диэлектрика ε, ε и его нормальной компоненты ε, путем решения системы дисперсионных уравнений (1).
z
При этом, если нормальной анизотропии в диэлектрике нет, то при решении системы уравнений (1) значение нормальной компоненты ε обращается в 1.
Для проверки работоспособности способа проведены экспериментальные исследования по измерению параметров анизотропных диэлектриков.
В качестве примера возможностей способа рассмотрим экспериментальные результаты оценки анизотропии в композиционном материале типа органопластик [с. 157 [Казьмин А.И. Фазорный метод измерения электрофизических параметров и дефектоскопии радиопоглощающих и композиционных материалов. Измерительно-вычислительная система для его реализации // Вестник МАИ. 2016. Т. 23. №2. С. 149-159] толщиной 9 мм.
1
2
1
Возбуждение радиальной поверхностной волны в исследуемом композиционном материале осуществлялось на двух близких длинах волн генератора λ=0.003329 м и λ=0.003322 м. Экспериментальные значения коэффициента затухания для длины волны λ=0.003329 м, измеренные вдоль окружности с центром возбуждения радиальной поверхностной волны с шагом по углу 5 градусов, приведены на графике на фигуре 2.
x
y
λ1(max)
λ1(min)
-1
-1
Проведенные экспериментальные исследования показали, что различие величин ε, ε достигает 10%. Это показывает, что с использованием предложенного способа поперечная анизотропия надежно идентифицируется. Значения коэффициентов затухания на направлениях главных осей поперечной анизотропии соответствуют величинам α=118,5 м и α=110 м.
x
у
z
Проведенные экспериментальные исследования параметров диэлектриков на основе предлагаемого способа показали принципиальную возможность измерения поперечных компонент тензора диэлектрической проницаемости ε, ε и его нормальной компоненты ε с погрешностью не более 10%, а также возможность надежного определения направления главных осей поперечной анизотропии.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить точность, достоверность и чувствительность измерений поперечной анизотропии диэлектрических материалов, а также расширить частотный диапазон измерений.