ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Полезная модель относится к радиоизмерительной технике, а именно к измерению диэлектрических свойств материалов на сверхвысоких частотах.
При измерении относительной диэлектрической проницаемости () и тангенса угла диэлектрических потерь (tg6) используют преимущественно метод вариации длины резонатора как наиболее простой и точный метод (см., например, ГОСТ 8.544-86). В числе прочих факторов, влияющих на точность измерения  и tg6, одним из основных по степени влияния является погрешность определения частоты измерения. Причем, значение имеет не только точность измерения этой частоты, но и точность настройки измерительного резонатора с образцом исследуемого материала на эту частоту (методика подробно описана в ГОСТ 8.544-86). Например, как следует из исследований (см., например, Литовченко А.В., Повышение точности измерения  и tg6 резонаторным методом на СВЧ в интервале температур от 20 до 1100С. В кн. Методы и средства измерений электромагнитных характеристик материалов на ВЧ и СВЧ. Новосибирск, 1987, с. 61-62), при измерении  и tg6 на частоте около 10 ГГц допустимая погрешность частоты измерения составляет +-20 МГц или +-0,2%. Серийные частотомеры СВЧ обладают такой же точностью измерений. Следовательно, точность настройки измерительного резонатора с образцом на частоту измерения должна лежать в пределах нескольких мегагерц.
В известных устройствах (см., например, авт. свид. СССР №796772 - прототип, №983581, оба G01R 27/26) для настройки измерительного резонатора на частоту измерения используют опорный резонатор, резонансная частота которого известна обычно с точностью около +-0,2%. Для этого схему устройства разделяют на два канала, измерительный и опорный, которые последовательно включают соответственно измерительный и опорный резонаторы. В таких приборах применяют в качестве генератора СВЧ генератор качающейся частоты (частота генератора модулирована по пилообразному закону), что позво.11яет получить сигнал после резонатора в форме резонансной кривой. Затем эти сигналы электрически преобразуются в прямоугольные импульсы, после чего импульс, соответствующий сигналу опорного резонатора используется в качестве метки либо яркостной на развертке осциллографического индикатора либо временной в блоке обработки сигналов. Настройка измерительного резонатора на частоту измерения осуществляется либо до совпадения вершины резонансной кривой измерительного резонатора с яркостной меткой на экране осциллографа, либо до получения нулевого временного интервала между импульсами, соответствующими резонансным кривым обоих резонаторов. Возможны и иные варианты настройки, но в любом случае требуется наличие двух независимых каналов - опорного и измерительного - и двух электронных схем обработки и преобразования сигналов.
Обычно добротность опорного резонатора составляет около 10000 и ширина яркостной метки в частотном масштабе составляет 1-3 МГц, а добротность измерительного резонатора с образцом существенно ниже и не превышает нескольких тысяч, так что ширина полосы пропускания измерительного резонатора может достигать 10 МГц. Легко определить, что при настройке измерительного резонатора на частоту измерения абсолютная погрешность настройки может достигать не более 3 МГц.
Но применение двухканальной схемы приводит практически к удвоению объема электронной аппаратуры обработки сигналов, что усложняет конструкцию и эксплуатацию прибора.
Предлагается измеритель параметров диэлектриков, содержащий опорный резонатор, но в предлагаемой схеме преобразование сигнала опорного резонатора вообще не производится и схема содержит не два, а один канал СВЧ, что, кстати, на 3 дБ расширяет динамический диапазон измерительной схемы.
Блок-схема измерителя параметров диэлектриков предлагаемой конструкции показана на чертеже фиг.1. Измеритель параметров диэлектриков состоит из генератора качающейся частоты, опорного резонатора, измерительного резонатора и блока индикации и обработки данных. Работает измеритель параметров диэлектриков следующим образом.
Генератор качающейся частоты генерирует СВЧ-колебания, частота которых модулирована по пилообразному закону. Эти колебания поступают в канал СВЧ, параллельно которому с возможностью отключения включен опорный резонатор. Последовательно в канал СВЧ включен измерительный резонатор, после которого сигнал - продетектированный или СВЧ - поступает в блок индикации и обработки данных. Блок индикации связан с генератором СВЧ линией управления и синхронизации, что необходимо для синхронизации работы генератора и блока индикации. На фиг.2 показаны эпюры, поясняющие работу измерителя параметров диэлектриков.
Так как опорный резонатор включен параллельно тракту СВЧ, то в пределах своей полосы пропускания он отсасывает часть СВЧ-энергии из тракта СВЧ. В результате, как показано на фиг.2, если в точке СВЧ-тракта а мощность сигнала Р в течение периода прямого хода пилы постоянна, то в точке и в полосе пропускания опорного резонатора появляется провал, имеющий форму резонансной кривой опорного резонатора. Когда производится настройка измерительного резонатора на частоту измерения, то вначале, когда резонансная частота измерительного резонатора отличается от резонансной частоты опорного, изображение на экране осциллографа имеет обычную колоколообразную форму резонансной кривой (см. фиг.2, эпюра Рс при Ризм Ропорн). Когда же резонансная частота измерительного резонатора равна частоте опорного, то происходит наложение двух резонансных кривых, причем, происходит вычитание резонансной кривой опорного резонатора из резонансной кривой измерительного резонатора. В результате на экране осциллографа появляется вместо колоколообразной двугорбая кривая (см. фиг.2, эпюра Рс при Ризм Ропорн). А так как резонансные кривые симметричны относительно своего максимума (в силу сущности физического процесса), то о точности настройки измерительного резонатора на частоту измерения можно судить по симметричности горбов двугорбой кривой - равенство амплитуд горбов свидетельствует о точной настройке измерительного резонатора на частоту измерения. При достижении симметричности двугорбой кривой опорный резонатор отключают, резонансная кривая опорного резонатора принимает обычную форму и теперь сигнал измерительного резонатора может быть измерен и обработан любым способом.
Погрещность настройки измерительного резонатора определяется шириной полосы пропускания опорного резонатора. Например, если частота измерения равна 10 ГГц и добротность опорного резонатора составляет 10000, то полоса пропускания опорного резонатора равна 1 МГц. При настройке измерительного резонатора погрешность в оценке равенства амплитуд горбов двугорбой кривой может достигать нескольких процентов, обычно от трех до пяти, что соответствует от 12 до 20 процентам ширины полосы пропускания опорного резонатора. Тогда при указанной добротности опорного резонатора погрещность настройки измерительного резонатора составит от 120 до 200 кГц или от 0,0012 до 0,002 процента от частоты измерения. Так как практически точность настройки опорного резонатора на частоту измерения определяется точностью использованного при настройке частотомера, а подавляющее большинство серийных частотомеров имеют погрешность измерения частоты не менее 0,1%, то точность настройки измерительного резонатора на частоту измерения практически оказывается равной точности настройки опорного резонатора.