ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЗОНАТОР

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к области измерения диэлектрических свойств материалов на сверхвысокой частоте при повышенной температуре.
Известен измерительный резонатор по заявке на вьщачу свидетельства на полезную модель №2000130270/20(032674), который состоит из охлаждаемой и нагреваемой частей, причем, нагреваемая часть продувается защитным газом. Нагреваемая часть измерительного резонатора окружена нагревателем, выполненным из стальной жаростойкой проволоки, защитный газ поступает в верхнюю часть объема, занимаемого нагревателем, продувает область нагревателя и поступает во внутреннюю полость резонатора со стороны его нижнего торца, продувает внутреннюю полость нагреваемого участка резонатора и выводится в атмосферу из-под нагревостойкой диэлектрической прокладки, отделяющей нагреваемый участок резонатора от охлаждаемого.
Существенным недостатком этой конструкции является снижение добротности резонатора при нагреве из-за возрастания удельного электрического сопротивления нагреваемого участка. При снижении добротности резонатора снижается точность настройки его на частоту измерения, в результате чего снижается точность измерения диэлектрических свойств исследуемого образца.
Причем, этот недостаток проявляется не только в области высокотемпературного нагрева, но и при низких - начиная от комнатной - температурах, так как нагреваемый участок измерительного резонатора должен изготавливаться из жаростойких металлов или сплавов, которые имеют высокое удельное электрическое сопротивление уже при комнатной температуре.
Предлагается измерительный высокотемпературный резонатор, свободный от этого недостатка.
Известно, что добротность объемного резонатора определяется отношением энергии, запасенной в объеме резонатора за единицу времени, к потерям энергии в стенках резонатора за ту же единицу времени. Следовательно, для повышения добротности необходимо увеличить объем резонатора. Но при увеличении объема резонатора увеличивается площадь его стенок, следовательно, возрастают и потери в стенках. Для снижения потерь в стенках измерительного высокотемпературного резонатора при увеличении его объема необходимо увеличивать объем резонатора за счет удлинения охлаждаемого участка, для материала стенок которого должен использоваться металл с удельным электрическим сопротивлением в несколько раз более низким, чем удельное электрическое сопротивление материала стенок нагреваемого участка.
На рис.1 показана схема измерительного резонатора по заявке на вьщачу свидетельства на полезную модель №2000130270/20(032674). Объемный цилиндрический резонатор состоит из охлаждаемого участка 1 длиной LI и нагреваемого участка 2, рабочая длина которого обозначена на рис.1 как Ьз. Резонатор связан с волноводным трактом с помощью волноводов 3 и отверстий связи 4, расположенных вблизи от торцевой неподвижной стенки охлаждаемого участка 1. Со стороны нагреваемого участка 2 резонатор ограничен подвижной торцевой стенкой - настроечным поршнем 5, на который при измерениях укладывается образец в виде плоскопараллельного диска (не показан). Нагреватель, теплоизоляция и другие элементы конструкции на рис.1 не показаны.
Для расчета собственной добротности объемного цилиндрического резонатора с волной HOI предложена формула (см. Зальцман Е.Б. Разработка и исследование методов точного измерения электромагнитных характеристик материалов на СВЧ. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., ВНИИФТРИ, 1969):
Г/ /ь п г  Н7
// fe-/7F i w
in  /I/ -   Л
Ur/J A  2г
г - радиус резонатора, мм;
п - число полуволн, укладывающихся вдоль осн резонатора;
АВ - длина волны в резонаторе, мм;
Хкр - критическая длина волны в резонаторе, мм;
X - постоянная связи резонатора (безразмерная величина);
(,056 Vp// - толщина скин-слоя в стенках резонатора, мм;
р - удельное электрическое сопротивление стенок резонатора,
/- резонансная частота резонатора, мГц.
Однако в литературе до сих пор не рассматривались вопросы, связанные с расчетом собственных характеристик объемных резонаторов с неоднородными по удельному электрическому сопротивлению стенками. А именно таким является измерительный резонатор по заявке на вьщачу свидетельства на полезную модель №2000130270/20(032674), так как при нагреве удельное электрическое сопротивление металлов изменяется. Кроме того, нагреваемый и охлаждаемый участки могут бьггь изготовлены из разнородных металлов или сплавов, которые также имеют разное удельное электрическое сопротивление.
Проведенные мной исследования (не опубликовано, статья готовится в печать) показали, что для расчетов собственных характеристик объемного резонатора с неоднородными по электрическим свойствам стенками можно использовать параметр, определенный как эквивалентное удельное электрическое сопротивление. Эквивалентное удельное электрическое сопротивление отрезка волновода РЭ определяется исходя из суммарной длины отрезка волновода и относительных длин /ошну участков с разными удельными электрическими сопротивлениями Pj по формуле:
,«/Vpj .(2)
При расчете собственнных характеристик резонатора эта величина подставляется вместо удельного электрического сопротивления - например, в формуле (1) вместо величины р.
Теплотехнические расчеты, которые из-за громоздкости здесь не приводятся, показывают, что рабочая длина нагреваемого участка резонатора (поз. 2 рис.1) не должна быть менее одного и не превышать семи его внутренних диаметров. Ограничение максимальной длины нагреваемого участка диктуется только соображениями экономичности нагревателя.
Длина же охлаждаемого участка определяется в зависимости от величины удельного электрического сопротивления стенок как охлаждаемого, так и нагреваемого участков, а также от длины нагреваемого З астка.
Прежде чем перейти к рассмотрению соотношения длин нагреваемого и охлаждаемого участков измерительного объемного резонатора, уточним некоторые требования к собственным характеристикам измерительного высокотемпературного резонатора.
Как уже говорилось выше, для повышения точности измерений диэлектрических свойств образца необходимо обеспечить достаточно высокое значение добротности резонатора для точной настройки его на частоту измерения. Например, при частоте измерения 10000 МГц абсолютная погрешность настройки резонатора на частоту измерения не должна превышать +5 МГц (см. Литовченко А.В. Повышение точности измерения е и tg6 резонаторным методом на СВЧ в интервале температур. В кн.: Методы и средства измерений электромагнитных характеристик материалов на ВЧ и СВЧ. Новосибирск, СНИИМ, 1987, с.61-62). Легко определить, что такая точность настройки может быть обеспечена при ширине полосы пропускания резонатора не более 8 МГц, т.е., при добротности резонатора не менее 1250.
Казалось бы, чем выше добротность резонатора, тем он лучше подходит для проведения измерений диэлектрических свойств. Но на точность измерения диэлектрических свойств влияет еще ряд погрешностей измерения других параметров (см. вышеприведенный источник), так что снижение абсолютной погрешности настройки резонатора на частоту измерения менее +1 МГц (добротность резонатора должна бьггь более 20000) не имеет практического смысла.
Но здесь следует принять во внимание еще одну сторону проблемы. Дело в том, что с ростом температуры потери всех диэлектрических материалов увеличиваются. Иными словами, с ростом температуры растет тангенс угла диэлектрических потерь, причем, иногда более чем на порядок величины. Естественно, что с ростом потерь в образце будет снижаться добротность резонатора с образцом. Для измерения высоких - более 0,03 - значений тангенса угла диэлектрических потерь простое повышение добротности резонатора с образцом недостаточно, поэтому необходимо принять комплекс мер для повышения верхнего измеряемого значения тангенса угла потерь. Эти меры заключаются в специальном подборе как полной длины резонатора, так и, как это ни парадоксально, в ограничении собственной добротности резонатора сверху (см. например Литовченко А.В. Расширение пределов измерения тангенса угла потерь в резонаторе с волной HOI. Депонированная рукопись. Статья Д07929. Сб. рефератов депонированных рукописей НИМИ. Вып. I за 1989 г.). Это ограничение верхнего значения собственной добротности измерительного высокотемпературного резонатора, в зависимости от предельного верхнего измеряемого значения тангенса угла диэлектрических потерь (tg6), лежит в пределах от 10000 до 17000.
С этой точки зрения можно считать прототипом настоящей предлагаемой полезной модели авторское свидетельство СССР №1741088 Измерительная ячейка для измерения параметров диэлектриков на СВЧ с приоритетом от 28 сентября 1987 года. Эта измерительная ячейка отличается большой сложностью как по конструкции, так и в осуществлении, поскольку для изготовления дополнительных секций резонатора необходимо подбирать сплавы со строго определенным значением удельного объемного электрического сопротивления. Этот недостаток прототипа также устраняется в предлагаемой полезной модели.
Для окончательного вывода о соотношениях между длинами нагреваемого и охлаждаемого участков резонатора рассчитаем собственную добротность измерительного высокотемпературного резонатора при нескольких фиксированных значениях длины нагреваемого участка в зависимости от длины охлаждаемого участка. При этом длину будем выражать в числе внутренних диаметров резонатора. Такой, на первый взгляд, странный выбор единицы измерения обусловлен известным из практического опыта явлением. Дело в том, что наилучшей частотой для выполнения измерений оказывается та, при которой длина волны в резонаторе равна или близка к внутреннему диаметру резонатора. Теоретическое обоснование этого явления отсутствует. При расчетах примем, что длина волны в резонаторе на частоте измерения равна диаметру внутренней полости резонатора.
Расчет проведем для резонатора диаметром 50 мм, критическая длина волны в таком резонаторе равна 41 мм, частоту измерения примем равной 9456 МГц, длина волны в резонаторе почти точно равна при этом диаметру резонатора. Будем считать, что нагреваемый участок изготовлен из хромоникелевого сплава с рг 100  при температуре выше 1000°С - это одна из жаро- и окалиностойких сталей, которая используется в реальных конструкциях. Положим, что охлаждаемый участок имеет на внутренней поверхности гальваническое серебряное неполированное покрьггие с   при комнатной температуре. Результаты расчета по формулам (1) и (2) приведены в виде графика на рис.2. Номера кривых на графике - 1, 2 и 3 - соответствуют рабочей длине нагреваемого участка в один, два и три внутренних диаметра резонатора, по оси абсцисс отложена длина охлаждаемого участка, выраженная в тех же единицах, а по оси ординат отложена собственная добротность резонатора.
чтобы обеспечить высокую точность измерений и возможность измерений диэлектрических свойств материалов с тангенсом угла диэлектрических потерь, превышающим 0,03, длина охлаждаемого участка должна выбираться следующим образом:
если рабочая длина нагреваемого участка не превышает одного диаметра резонатора, то длина охлаждаемого участка должна находиться в пределах от одного до 3,5 диаметров резонатора; если рабочая длина нагреваемого участка превышает один диаметр резонатора, то длина охлаждаемого участка должна находиться в пределах от 1,5 до 6 диаметров резонатора. Зависимость между верхним измеряемым значением tg6 и собственными характеристиками измерительного высокотемпературного резонатора довольно сложная и здесь не излагается. Заметим только, что нижняя граница интервала длин охлаждаемого участка соответствует собственным характеристикам резонатора, при которых можно измерять с высокой степенью точности диэлектрические свойства материалов, значение tg(5 которых не превышает 0,06. При длине охлаждаемого участка, соответствующей верхней границе интервала, появляется возможность с не меньшей точностью измерять диэлектрические свойства материалов, tg(5 которых достигает 0,25.
Автор п//ё - А.В.Литовченко