УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ МАТЕРИАЛОВ
DEVICE TO DEFINE COMPLEX CAPACITIVITY OF MATERIALS

Изобретение относится к устройствам для определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов с использованием электромагнитных волн.
Известно устройство для определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов, работающее в оптическом диапазоне длин волн, содержащее средство для регулирования тока в цепи источника питания и для обработки данных, соединенные последовательно с цифроаналоговым преобразователем, блок питания полупроводникового лазера, регулятор температуры, полупроводниковый лазерный источник излучения и оптическое средство [1].
Недостатки этого устройства:
- большая погрешность (20-30%) в определении комплексной диэлектрической проницаемости материала,
- необходимость использования дорогостоящей лазерной и спектральной аппаратуры.
Известно устройство для определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов, содержащее отрезок металлической волноводной линии передачи, снабженный фланцами с обоих концов, с размерами внутреннего поперечного сечения, при которых в отрезке металлической волноводной линии передачи распространяется электромагнитная волна сантиметрового или миллиметрового диапазона длин волн, плоскопараллельную пластину из диэлектрика, которая расположена на одном конце отрезка металлической волноводной линии, при этом плоскопараллельная пластина из диэлектрика контактирует с исследуемым материалом, другой конец отрезка металлической волноводной линии передачи предназначен для соединения его с источником электромагнитной волны и измерителем коэффициента отражения электромагнитной волны [2] - прототип.
Это устройство
- повышает точность измерений за счет согласования волноводной линии передачи с поверхностью материала с помощью согласующей плоскопараллельной пластины из диэлектрика,
- снижает стоимость исследований за счет использования широко распространенных панорамных измерителей коэффициента отражения электромагнитной волны сантиметрового или миллиметрового диапазона длин волн.
Недостатки этого устройства:
- для улучшения согласования падающей электромагнитной волны с поверхностью материалов согласующая диэлектрическая пластина должна иметь толщину, кратную нечетному числу четверти длины электромагнитной волны в диэлектрическом материале пластины, при этом величина добротности снижается, поэтому коэффициент отражения электромагнитной волны по мощности от поверхности материалов не имеет четко выраженного минимума, что затрудняет определение частоты, соответствующей минимальному значению коэффициента отражения электромагнитной волны по мощности, и тем самым снижает точность определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов,
- величина диэлектрической проницаемости пластины должна быть выбрана такой, при которой выполняются оптимальные условия согласования, однако это условие практически не выполнимо, поскольку пластина изготавливается из диэлектрического материала с определенной величиной диэлектрической проницаемости, которая отличается от оптимальной величины диэлектрической проницаемости, что снижает точность определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов,
- невозможность определения одновременно действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости материалов.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является
- увеличение точности определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов,
- определение одновременно действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости материалов,
- низкая стоимость используемой измерительной аппаратуры.
Указанный технический результат достигается заявленным устройством для определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов, содержащим
отрезок металлической волноводной линии передачи, снабженный фланцами с обоих концов, с размерами внутреннего поперечного сечения, при которых в отрезке металлической волноводной линии передачи распространяется электромагнитная волна сантиметрового или миллиметрового диапазонов длин волн,
плоскопараллельную пластину, расположенную на одном конце отрезка металлической волноводной линии перпендикулярно направлению распространения электромагнитной волны в металлической волноводной линии передачи,
другой конец отрезка металлической волноводной линии передачи предназначен для соединения его с источником электромагнитной волны и измерителем коэффициента отражения электромагнитной волны.
В устройство дополнительно введены
второй отрезок металлической волноводной линии передачи, снабженный фланцами с обоих концов, одинакового внутреннего поперечного сечения с первым отрезком металлической волноводной линии передачи,
варакторный диод,
внутренняя часть второго отрезка металлической волноводной линии передачи заполнена диэлектриком,
плоскопараллельная пластина выполнена из металла и снабжена окном с размерами, равными размерам внутреннего поперечного сечения отрезка металлической волноводной линии передачи,
варакторный диод включен посередине широкой стенки окна в плоскопараллельной пластине,
металлические выводы варакторного диода и плоскопараллельная пластина разделены изолятором,
фланец другого конца отрезка металлической волноводной линии передачи, плоскопараллельная пластина и фланец одного конца второго отрезка металлической волноводной линии передачи соединены между собой механически,
другой конец второго отрезка металлической волноводной линии передачи предназначен для контакта с измеряемыми материалами,
длина второго отрезка металлической волноводной линии передачи кратна половине длины электромагнитной волны во втором отрезке металлической волноводной линии передачи с диэлектриком.
Сущность изобретения.
Заявленное устройство для определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов, его существенные признаки, а именно
введение дополнительно второго отрезка металлической волноводной линии передачи и варакторного диода, заполнение второго отрезка волноводной линии передачи диэлектриком, выполнение плоскопараллельной пластины из металла и снабженной окном с размерами, равными размерам внутреннего поперечного сечения отрезка металлической волноводной линии передачи, включение варакторного диода по середине широкой стенки окна в плоскопараллельной пластине, выполнение второго отрезка волноводной линии передачи длиной, кратной половине длины электромагнитной волны во втором отрезке металлической волноводной линии передачи с диэлектриком,
каждый и в их совокупности, а также в совокупности с известными признаками, а также в совокупности с предложенным соединением элементов устройства:
1. Благодаря тому, что
- второй отрезок металлической волноводной линии передачи, заполненный диэлектриком, с одной стороны которого расположена отражающая стенка в виде плоскопараллельной пластины, выполненной из металла, с включенным в нее варакторным диодом, а с другой стороны поверхность измеряемого материала представляет собой резонатор с отражающими стенками;
- длина второго отрезка металлической волноводной линии передачи L выбрана кратной половине длины электромагнитной волны в отрезке металлической волноводной линии передачи с диэлектриком (L=m×λв/2, где λв - длина электромагнитной волны в металлической волноводной линии передачи с диэлектриком, m=1, 2, 3, …), поэтому в резонаторе устанавливаются стоячие волны;
- электромагнитные процессы, протекающие в резонаторе, приводят к тому, что резонатор является существенно узкополосным устройством, а именно на резонансных частотах коэффициент отражения электромагнитной волны по мощности имеет острый минимум;
- величину минимума коэффициента отражения электромагнитной волны по мощности и частоту, на которой он достигается, измеряют на панорамном измерителе коэффициента отражения электромагнитных волн с высокой точностью,
позволит, используя узкополосные резонансные явления, максимально увеличить точность определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов.
2. Благодаря тому, что
- варакторный диод в рабочем состоянии, то есть при подаче на его металлические выводы постоянного напряжения от источника постоянного напряжения, представляет собой частотно-зависимую реактивную проводимость, включенную на конце второго отрезка металлической волноводной линии передачи;
- величина этой проводимости существенно влияет на величину коэффициента отражения электромагнитной волны по мощности;
- проводят измерение на панорамном измерителе коэффициента отражения электромагнитных волн трех минимальных значений коэффициента отражения электромагнитной волны по мощности и соответствующих им трех частот при трех значениях постоянного напряжения на варакторном диоде,
позволяет определить одновременно действительную и мнимую части комплексной диэлектрической проницаемости материалов.
3. При этом, как и в прототипе, величину минимума коэффициента отражения электромагнитной волны по мощности и частоту, на которой он достигается, измеряют на панорамном измерителе коэффициента отражения электромагнитных волн, что
обеспечивает сохранение низкой стоимости используемой аппаратуры.
Таким образом, заявленное устройство позволит по сравнению с прототипом, используя узкополосные резонансные явления и трехкратные измерения коэффициента отражения электромагнитной волны по мощности и соответствующие им резонансные частоты при трех значениях напряжений на варакторном диоде, существенно увеличить точность определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов и одновременно определить действительную и мнимую части комплексной диэлектрической проницаемости материалов при сохранении низкой стоимости используемой аппаратуры.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 дан чертеж предложенного устройства для определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов в разрезе, где:
- первый и второй отрезки металлической волноводной линии передачи - 1 и 2 соответственно,
- плоскопараллельная пластина из металла - 3, которая снабжена
- окном - 4,
- варакторным диодом - 5,
- изолятором - 6,
- металлическими выводами - 7,
- диэлектрик - 8,
- исследуемый материал - 9.
На фиг. 2 дан общий вид экспериментальной установки для измерения комплексной диэлектрической проницаемости материалов:
- панорамный измеритель коэффициента отражения PNA-LN5230C - 1,
- коаксиальный кабель - 2,
- коаксиально-волноводный переход - 3,
- предлагаемое устройство - 4,
- исследуемый материал - 5.
1
2
3
На фиг. 3 даны резонансные зависимости коэффициента отражения по мощности устройства от частоты для трех значений напряжения на варакторном диоде (кривая 1 при U=6 В, кривая 2 при U=8 В, кривая 3 при U=10 В).
Заявленное устройство (фиг. 1) содержит второй отрезок металлической волноводной линии передачи 2, заполненный диэлектриком 8, с внутренним поперечным сечением с размерами широкой стороны стенки, равной а, и узкой, равной b, длиной L, кратной половине длины волны в отрезке металлической волноводной линии с диэлектриком, и плоскопараллельную пластину из металла 3, расположенную на конце второго отрезка металлической волноводной линии 2.
В плоскопараллельной пластине из металла 3 выполнено окно 4 шириной а и высотой b с варакторным диодом 5, металлические выводы которого 7 отделены от металлической пластиной 3 изолятором 6.
Отрезок металлической волноводной линии передачи 1 одним концом посредством фланца подключен к волноводной линии передачи от источника электромагнитной волны сантиметрового или миллиметрового диапазона длин волн.
Второй отрезок металлической волноводной линии передачи 2 одним концом приведен в контакт с поверхностью исследуемого материала 9.
Другие концы первого и второго отрезков металлической волноводной линии передачи и плоскопараллельная пластина из металла 3 соединены между собой механически.
Устройство работает следующим образом.
k
На варакторный диод от источника постоянного напряжения подается напряжение U, выводящее варакторный диод в рабочее состояние, при котором его емкость равна
k
0
k
-0,5
C=C(1+U/φ),
где
0
k
С - емкость варакторого диода при U=0
φ - контактная разность потенциалов полупроводникового материала, из которого выполнен варакторный диод (для арсенида галлия φ=0,7 В) [3].
Реактивная относительная проводимость варакторного диода равна
k
k
Y=j b (f),
где
0,5
j=(-1) - мнимая единица,
k
k
B
b (f)=2 πfC/Y,
где
f- частота электромагнитной волны.
B
Y - волновая проводимость отрезка волноводной линии передачи 1,
B
2
0,5
-1
Y={1-[λ/(2 а)]}  (120 π),
где
λ=с/f - длина электромагнитной волны,
с - скорость света в вакууме,
π=3,1415…
При проведении измерений на измерительной установке, изображенной на фиг. 2, электромагнитная волна от панорамного измерителя коэффициента отражения 1 по коаксиальному кабелю 2 и коаксиально-волноводному переходу 3 поступает в заявленное устройство 4, где взаимодействует с исследуемым материалом 5.
k
Отраженная от устройства электромагнитная волна возвращается к панорамному измерителю, на экране которого отображается резонансная зависимость коэффициента отражения по мощности R(f) устройства от частоты f.
1
2
3
1
2
3
1
1
2
2
3
3
При подаче на варакторный диод последовательно трех величин постоянного напряжения U, U, U относительная проводимость варакторного диода будет равна b, b, b соответственно и значения коэффициента отражения по мощности устройства на резонансной частоте будут равны R(f), R(f), R(f).
При этом активная и реактивная части относительной величины комплексной проводимости исследуемого материала у=g+j b определяются из выражений
22
33
12
13
g=0,25 (b-b)/(а-а),
13
1
2
12
1
3
12
13
b=0,5[а(b+b)-а(b+b)]/(а-а),
где
1k
1
1
k
k
1
1
k
k
11
kk
a=[R(f)-R(f)]/{[1-R(f)][1-R(f)][b-b]},
11
1
1
b=b(f),
kk
k
k
b=b(f),
k=2, 3.
1
2
3
1
2
3
f, f, f - резонансные частоты, на которых достигают минимума зависимости коэффициента отражения по мощности R(f), R(f), R(f) соответственно.
Действительная ε′ и мнимая ε′′ составляющие комплексной диэлектрической проницаемости измеряемого материала рассчитываются по формулам
<mrow><mi>ε</mi><mo>'</mo><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>n</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>n</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
1
2
ε′′=2 n n,
где
1
2
0,5
n=g{1-[λ/(2а)]},
2
2
0,5
n=b{1-[λ(2а)]}.
Пример.
Устройство было реализовано в миллиметровом диапазоне длин волн.
Первый 1 и второй 2 отрезки металлической волноводной линии передачи выполнены из меди одинакового прямоугольного внутреннего поперечного сечения с размером широкой стороны а=7,11 мм и узкой стороны b=3,56 мм. В плоскопараллельной пластине из металла 3 выполнено прямоугольное окно 4 с размерами, равными размерам внутреннего поперечного сечения отрезка волноводной линии и толщиной пластины 1 мм. Длина второго отрезка волноводной линии передачи 2 равна 3,1 мм. Внутренняя часть этого отрезка была заполнена диэлектриком - фторопластом с относительной диэлектрической проницаемостью 2,04.
0
В плоскопараллельную пластину из металла 3 включен бескорпусной варакторный диод 5 типа «Параграф» [3] с максимальным значением емкости С=0,5 пФ, минимальным значением емкости 0,05 пФ и перекрытием по емкости - отношением максимального значения емкости к минимальному значению - равным 10.
Для измерения малых изменений комплексной диэлектрической проницаемости материала работают в диапазоне модулей коэффициентов отражения по мощности (в логарифмическом масштабе) от минус 30 до минус 45 дБ. В этом случае погрешность измерений панорамным измерителем коэффициента отражения по мощности не превышает 1%, а резонансной частоты 0,01%.
Исследовался материал - вода - при температуре 21°C в диапазоне частот 30 ГГц.
На изготовленном образце устройства для трех значений постоянного напряжения на варактороном диоде, равных 6 В, 8 В и 10 В, были измерены резонансные зависимости коэффициентов отражения по мощности от частоты, которые показаны на фиг. 3. Минимальные значения коэффициентов отражения по мощности и соответствующие им резонансные частоты для каждого напряжения, определенные из фиг. 3, представлены в таблице
На основании этих измеренных данных по приведенным выше формулам были рассчитаны действительная и мнимая составляющие комплексной диэлектрической проницаемости воды, которые равны
ε′=23,96,
ε′′=31,89.
Таким образом, предложенное устройство позволит измерить коэффициент отражения по мощности с высокой точностью - 1%, что примерно в 5 раз больше точности прототипа и, как следствие, в 5 раз увеличить точность определения комплексной диэлектрической проницаемости материала.
Источники информации
1. Патент США. Patent US # 5,243,983. Sept. 14, 1993.
2. Патент США. Patent US # 2006/0025664 A1, Published Feb. 2, 2006. - прототип.
3. Авторское свидетельство №475051. Приоритет от 20 декабря 1971.