Устройство для измерения спектров диэлектрической проницаемости почв на основе симметричной полосковой линии

Полезная модель относится к технике измерений в УКВ- и СВЧ-диапазонах и может использоваться для неразрушающего измерения спектров комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) почв в полевых условиях.
Известны способы измерения КДП с помощью устройств на основе симметричной полосковой линии (СПЛ) в различных частотных диапазонах.
Например, описанный в [Gallagher С.Р., N. Cole, P. P. Savage, С. McKeever, J.R. Sambles, and A.P. Hibbins A. Broadband Stripline Technique for Characterizing Relative Permittivity and Permeability // IEEE Trans. Microwave Theory and Techn. 2019. Vol. 67, No. 1, P. 231-238. DOI: 10.1109/TMTT.2018.2851563] метод обеспечивает измерение диэлектрических свойств твердых материалов в диапазоне частот от 200 МГц до 50 ГГц с погрешностью до 10%. Расстояние между внешними проводниками полосковой линии составляло 3 мм.
Недостатком данного решения является малое расстояние между внешними проводниками полосковой линии, что не позволяет помещать почвы с крупными размерами почвенных частиц и почвенных агрегатов размером до 8-10 мм, составляющих почвы естественного сложения.
Известен способ, описанный в работе [Lawrence K.С., Funk D.В., Windham W.R. Dielectric moisture sensor for cereal grains and soybeans // Trans. ASAE. 2001. 44(6). 1691-1696. DOI: 10.13031/2013.6979], где описана ячейка на основе СПЛ общей длиной 60 см с расстоянием между внешними проводниками 6,2 см и шириной центральной полоски 9 см. Длина переходной части от коаксиального разъема до рабочей области составляла 28,24 см.
В работах [Funk, D.В., Z. Gillay, and P. Meszaros. Unified moisture algorithm for improved RF dielectric grain moisture. Meas. Sci. Tech. 2007. 18: 1004-1015. DOI: 10.1088/0957-0233/18/4/007], [Funk D.В., Z. Gillay, Dielectric reference materials for mathematically modeling and standardizing grain moisture meters // Trans. AS ABE. 2010. v.53 no.1. pp.271-281. DOI:10.13031/2013.29492] для увеличения верхней частоты используют ячейки на базе СПЛ с меньшими размерами поперечного сечения: расстояние между внешними электродами составляло 50,8-53,6 мм при ширине полоски 76,2 мм. Переходные области имели длину 63,7 мм, а общая длина ячейки - 230 мм. Измерения диэлектрической проницаемости проводились в диапазоне частот ниже 250 МГц.
Недостатком данных решений является малый диапазон частот: до 250 МГц, что не позволяет измерять спектры диэлектрической проницаемости до частот 1-2 ГГц, где отсутствуют процессы диэлектрической релаксации в почвах.
(1)
Измеряемый диапазон частот ограничивается сверху возникновением волн высших типов. Первой волной высшего типа является волна Н. Критическая длина волны для этого типа (при воздушном заполнении) может быть определена из приближенного выражения (Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств / С.И. Бахарев и др.; Под ред. В.И. Вольмана. - М.: Радио и связь, 1982. - 328 с.):
где w - ширина центральной полоски, b - расстояние между внешними проводниками. При заполнении СПЛ диэлектриком критическая длина волны возрастает пропорционально корню квадратному из действительной части диэлектрической проницаемости. Таким образом, повышение рабочей частоты требует уменьшения размеров поперечного сечения СПЛ и, в частности, ширины центральной полоски.
Для измерения диэлектрической проницаемости почв, размеры частиц в которых достигают нескольких миллиметров, а размеры почвенных агрегатов могут быть около 1 см, обусловливают применение СПЛ с расстоянием между электродами 10-15 мм (расстоянием между внешними проводниками не менее 20-30 мм). Расчеты показывают, что при воздушном заполнении СПЛ с расстоянием b=28 мм волновое сопротивление 50 Ом достигается при ширине w=40,4 мм. При этом критическая длина волны приближенно равна 12,5 см (критическая частота 2,4 ГГц). Кроме того, рабочий диапазон может быть ограничен возникновением паразитных колебаний из-за нерегулярностей в области перехода от коаксиального разъема к рабочей области.
Технической задачей заявляемого решения является расширение спектра измеряемых частот в сторону увеличения максимальной частоты измеряемых спектров диэлектрической проницаемости почв.
Указанный технический результат достигается тем, что предложено устройство для измерения спектров диэлектрической проницаемости почв, представляющее собой отрезок симметричной полосковой линии с тонкими токонесущими проводниками, позволяющими обеспечить минимальное воздействие на почву при полевых измерениях и повысить верхнюю границу измеряемого спектра диэлектрической проницаемости почв, содержащее рабочую область для заполнения исследуемым веществом и две переходных части от входной коаксиальной линии до рабочей области и обратно от конца рабочей области до выходной коаксиальной линии, отличающееся тем, что переходные части, представляющие собой отрезки полосковой линии, заполнены твердым диэлектриком, а ширина центральной полоски, обеспечивающая оптимальное в рабочем диапазоне согласование входа и выхода ячейки при полном заполнении ее твердым диэлектриком, такая же, как и в пустой рабочей области, имеющей волновое сопротивлением более высокое в корень квадратный из диэлектрической проницаемости твердого диэлектрика раз.
1
Возможность достижения технического результата обеспечивается тем, что решается задача уменьшения ширины центральной полоски без уменьшения расстояния между внешними электродами. Эта задача решается тем, что переходные части от коаксиального разъема на входе до рабочей области, заполняемой исследуемым диэлектриком, и от рабочей области до выходного разъема заполнены твердым диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε' и малыми потерями. При этом ширина центральной полоски, необходимая для согласования с 50-омным входом ячейки, меньше, чем при воздушном заполнении, меньше также и длина переходной части. Во избежание возникновения дополнительных нерегулярностей в линии ширина полоски одинакова по всей длине ячейки (как в коаксиально-полосковых переходах, так и в рабочей области) и меньше, чем при воздушном заполнении линии с волновым сопротивлением 50 Ом. Возрастание волнового сопротивления в рабочей области в  раз учитывается при расчете КДП исследуемого вещества. Расчеты показывают, что использование твердого диэлектрика с ε'=2,05 позволяет повысить критическую частоту в 1,33 раза, а при использовании диэлектрика с ε'=10 - почти в 3 раза.
На фиг. 1 представлен общий вид заявляемой ячейки на базе СПЛ. Устройство для измерения спектров диэлектрической проницаемости почв, содержит корпус 1 с размещенным на нем входным и выходным коаксиальными СВЧ-разъемами 2; проводящую центральную полоску 3; в средней части выполнена рабочая область для заполнения исследуемой почвой 4; на концах полосковой линии расположены две переходных части одинаковой длины, заполненные твердым диэлектриком 5.
На фиг. 2 представлена блок-схема измерительной ячейки.
1-3, 4-6
12
1,6
Измерение комплексной диэлектрической проницаемости (КДП)  исследуемого вещества производится следующим образом. СВЧ разъемы с помощью кабелей подключаются к разъемам векторного анализатора цепей (использовался Rohde & Schwarz ZNB8). Затем производится калибровка для учета суммарного набега фазы Δϕ между границами 1-3 и 4-6 (см. фиг. 2). Для этого измеряется комплексный коэффициент передачи (S) ячейки с пустой рабочей областью между границами 1-6 и из измеренной фазы Δϕ вычитается фазовый набег на пустой рабочей области
0
12
12
1-3, 4-6
12
где k - волновое число в вакууме, d - длина рабочей области. Затем рабочая область заполняется исследуемым веществом и измеряется параметр S между границами 1-6. Для нахождения параметра S между границами 3 и 4 рабочей области из измеренной фазы вычитается суммарный фазовый набег Δϕ между границами 1-3 и 4-6. Далее методом минимизации невязки между измеренными и вычисленными значениями параметра S находятся ε' и ε''.
12
Расчетное значение параметра S между границами 3 и 4 рабочей области с образцом определяется по формуле для диэлектрического слоя:
1
2
1
2
2
где Т, Т - френелевские коэффициенты передачи на границах диэлектрического слоя; Г, Г - френелевские коэффициенты отражения на этих границах;  - волновое число в исследуемом веществе, где ω - циклическая частота, с - скорость волны в вакууме; d - длина рабочей области, i=-1.
Для проверки заявленного технического решения были проведены экспериментальные измерения КДП калибровочных жидкостей и влажного песка в ячейке с воздушным заполнением переходных частей и в заявляемой ячейке с переходными частями, заполненными твердым диэлектриком с ε'=2,05.
На фиг. 3 показан внешний вид измерительной ячейки с воздушным заполнением переходных областей со снятой верхней крышкой. Расстояние между внешними электродами составляет 28,5 мм, а ширина центральной полоски - 40,4 мм.
На фиг. 4 показан внешний вид измерительной ячейки, в которой переходные части выполнены из твердого диэлектрика. Расстояние между внешними электродами также составляет 28,5 мм, а ширина центральной полоски - 24,5 мм.
3
3
На фиг. 5 приведены результаты измерения действительной и мнимой частей КДП исследуемых образцов в ячейке с воздушным заполнением переходных областей, где 1 -результат измерения КДП этилового спирта с концентрацией 95% при 25°С, 2 - результат измерения КДП изопропилового спирта при 20°С, 3 - результат измерения песка с объемной влажностью 0,17 м/м.
3
3
На фиг. 6 приведены результаты измерения действительной и мнимой частей КДП тех же жидкостей и песка с объемной влажностью 0,23 м/м в ячейке с диэлектрическим заполнением переходных областей.
Здесь сплошные линии - расчет КДП жидкостей по модели Дебая с параметрами, приведенными в работе [Gregory А.P., Clarke R. N. Tables of the complex permittivity of dielectric reference liquids at frequencies up to 5 GHz. /NPL Report MAT 23. Jan. 2012. URL: https://www.semanticscholar.org/paper/Tables-of-the-complex-permittivity-of-dielectric-at-Gregorv-Clarke/tb86eac40025c90dd8d9dfaa5a50244869dabab7].
При измерении КДП в ячейке с воздушным заполнением отклонение измеренных значений действительной части КДП ε' от модельных на частотах выше 0,56 ГГц превышает 2,7% при ε'=7,5 (кривая 2 на фиг. 5), превышает 5% на частотах выше 0,4 ГГц при ε'=25 (кривая 1 на фиг. 5). При измерении КДП песка отклонение от постоянных значений ε'=10,8 составляет более 3% на частотах выше 0,5 ГГц (кривая 3 на фиг. 5). Отклонение измеренных значений мнимой части КДП ε'' от модельных на частотах около 0,5 ГГц составляет 17% при измерении КДП изопропилового спирта и 50% - при измерении этилового спирта.
При измерении КДП калибровочных жидкостей в заявляемом устройстве в диапазоне частот от 60 МГц до 2,5 ГГц средние значения отклонений от модельных значений не превышает 2% по ε' и 6% по ε'' при том, что значения ε' на верхней границе частотного диапазоне превышают 10 ед. Отклонение измеренных значений КДП песка от среднего значения ε'=13,6 не превышает 4% в частотном диапазоне от 0,2 до 3 ГГц (на частотах ниже указанного диапазона значения ε' возрастают вследствие релаксации Максвелла-Вагнера).
Преимущество заявленного технического решения заключается в увеличении верхней частоты измеряемого спектра диэлектрической проницаемости почв при расстоянии между электродами, позволяющем размещать в рабочей области измерительной ячейки крупные почвенные агрегаты.