УСТАНОВКИ  ДЛЯ  ИЗМЕРЕНИЯ  ПАРАМЕТРОВ  ДИЭЛЕКТРИКОВ

Петухова  Наталья  Александровна

магистр,  аспирант,  Санкт-Петербургский  национальный  исследовательский  университет  информационных  технологий,  механики  и  оптики,  РФ,  г.  Санкт-Петербург

Куракин  Александр  Сергеевич

канд.  техн.  наук,  доцент  кафедры,  Санкт-Петербургский  национальный  исследовательский  университет  информационных  технологий,  механики  и  оптики,  РФ,  г.  Санкт- Петербург

E-mail: 

INSTALLATIONS  FOR  MEASURING  PARAMETERS  OF  DIELECTRICS

Petukhova  Natalya

master,  graduate,  St.  Petersburg  national  research  University  of  information  technologies,  mechanics  and  optics,  Russia,  St.  Petersburg

Kurakin  Aleksandr

Ph.D.,  St.  Petersburg  national  research  University  of  information  technologies,  mechanics  and  optics,  Russia,  St.  Petersburg

АННОТАЦИЯ

В  статье  ставится  задача  рассмотреть  различные  установки  для  измерения  параметров  диэлектриков.  Проанализировав  характерные  особенности  каждой  из  возможных  установок,  делается  вывод  о  том  какие  установки  в  какой  области  применения  являются  наиболее  подходящими.

ABSRACT

The  article  seeks  to  examine  the  various  systems  for  measuring  parameters  of  dielectrics.  After  analyzing  the  characteristics  of  each  of  the  possible  settings,  concludes  that  any  installation  in  which  the  application  is  most  appropriate.

Ключевые  слова:   диэлектрик;  диэлектрическая  проницаемость;  резонатор;  волновод;  коаксиал;  свободное  пространство;  коаксиальный  пробник.

Keywords:   dielectric;  dielectric  constant;  and  a  resonator  waveguide;  coaxial;  free  space;  coaxial  probe.

Все  методы  измерения  параметров  диэлектриков  на  СВЧ  можно  разделить  на  три  группы:  резонаторные  методы,  волноводные  (фи­дерные)  методы,  методы  измерения  в  свободном  пространстве,  так  же  существуют  рефлектометрические  (импульсные)  методы,  которые  в  данной  статье  рассмотрены  не  будут. 

Для  начала  рассмотрим  простейшие  методы  измерения  параметров  диэлектриков,  основанные  на  использовании  волноводных  методов  [1],  также  их  называют  методами  с  использованием  линии  передачи.  Методы  с  использованием  линии  передачи  предполагают  размещение  материала  внутри  части  закрытой  линии  передачи.  Обычно  линия  передачи  является  отрезком  прямоугольного  волновода  или  воздушной  коаксиальной  линии  (рис.  1).  комплексная  диэлектрическая  и  магнитная  проницаемости  (ε*  и  μ*  соответственно)  вычисляются  из  результатов  измерений  отраженного  сигнала  (S11)  и  прошедшего  сигнала  (S21).

Рисунок  1.  Метод  с  использованием  линии  передачи

Коаксиальные  линии  передачи  перекрывают  широкий  диапазон  частот,  но  изготовление  образцов  тороидальной  формы  является  более  сложным.  Волноводная  испытательная  оснастка  простирается  до  частот  миллиметрового  диапазона,  а  обработка  образцов  упрощается,  но  перекрываемый  ими  диапазон  частот  ограничен.

В  основу  более  современных  волноводных  (коаксиальных)  методов  измерения  диэлектрической  проницаемости  положен  следующий  подход.  Иссле­дуемое  вещество  вводится  в  измерительную  ячейку  (ИЯ),  образо­ванную  отрезком  СВЧ  линии  передачи.  В  соответствии  с  требуемым  частотным  диапазоном  используют  двухпроводную  и  коаксиальную  линии  (до  частот  несколько  ГГц),  прямоугольный  или,  реже,  круглый  волновод.  Известны  попытки  использовать  радиальную  линию  передачи.

Фирма  Agilent  Technologies  [3]  предлагает  следующий  метод  для  измерения  параметров  жидких  и  полутвердых  материалов  —  коаксиальный  пробник.  Разомкнутый  коаксиальный  пробник  является  срезом  линии  передачи. 

Свойства  материала  измеряются  погружением  пробника  в  жидкость  или  касанием  пробником  плоской  поверхности  твердого  (или  порошкового)  материала.  Структура  полей  на  конце  пробника  искажается,  как  только  они  входят  в  контакт  с  испытуемым  материалом  (рис.  2).  Отраженный  сигнал  (S11)  может  быть  измерен  и  связан  с  диэлектрической  проницаемостью  (ε*).  Типичная  измерительная  система,  использующая  метод  коаксиального  пробника,  состоит  из  анализатора  цепей  или  импеданса,  коаксиального  пробника  и  программного  обеспечения.

Рисунок  2.  Метод  с  использованием  коаксиального  пробника

Установка  с  использованием  коаксиальных  пробников  от  компании  Agilent  Теchnologies  представлена  на  рисунке  3.

Рисунок  3.  Установка  с  использованием  коаксиальных  пробников

Более  точный  и  чувствительный  метод  измерения  параметров  диэлектриков  —  это  метод  с  использованием  резонатора.

Комплексная  диэлектрическая  проницаемость  или  магнитная  проницаемость  материала  могут  быть  вычислены  с  помощью  добротности  (Q)  на  одной  частоте.  Существует  множество  различных  методов  основанных  на  использовании  резонатора.  Рассмотрим  два  наиболее  распространенных  метода.  Первый  основан  на  методе  малых  возмущений  и  предполагает  ввод  в  резонатор  нез­начительного  объема  исследуемого  вещества  (рис.  4).  Образец  представляет  собой  тонкий  стержень  (трубку  с  исследуемой  жидкостью),  располагаемый  по  оси  резонато­ра.  Из-за  использования  приближенных  расчетных  соотношений  метода  возмущений  точность  этого  подхода  в  ряде  случаев  неудовлетвори­тельна.

Рисунок  4.  Резонансный  метод

Другой  тип  измерений  предполагает  полное  или  частичное  за­полнение  объема  резонатора  исследуемым  веществом.  Обработка  опытных  данных  в  этом  случае  должна  проводиться  на  основе  бо­лее  детального  электродинамического  анализа.

Выбор  конструкции  и  типа  резонатора  во  многом  зависит  от  частотного  диапазона  измерений  и  вида  диэлектрика.

Метод  измерения,  основанный  на  определении  коэффициентов  отражения  и/или  передачи  для  электромагнитных  волн  в  свободном  пространстве  широко  применяют  на  миллиметровых  волнах,  а  также  в  случаях,  когда  нежелательно  разрушение  образца.  Метод  применим  для  диэлектрических  образцов  с  плоскопараллельными  границами,  в  случае  сыпучих  материалов  используют  плоские  контейнеры.

При  измерении  фазы  коэффициента  прохождения  лист  диэлектрика  помещается  между  передающей  и  приемной  антеннами  (рупорами)  измерительной  установки,  представляющей  двухканальный  фазовый  интерферометр  [2].

Если  канал  опорного  сигнала  выполнен  в  виде  достаточно  длинного  и  гибкого  кабеля,  градуированный  фазовращатель  может  быть  заменен  устройством,  перемещающим  приемный  рупор  вдоль  «оптической»  оси  системы.  Перемещение  осуществляется  плавно  с  помощью  микровинта.  т.  е.  на  детектор  индикатора  поступают  сигналы  одинаковой  амплитуды,  но  имеющие  разность  фаз  ,  основываясь  на  разности  фаз  и  находится  диэлектрическая  постоянная  [2]. 

В  свободном  пространстве  легко  осуществить  высокотемпературные  измерения,  поскольку  всегда  отсутствует  прикасание  или  контакт  с  образцом  Образец  может  нагреваться  при  помещении  в  печь,  имеющую  «окна»  из  изоляционного  материала,  который  прозрачен  для  СВЧ  излучения  (рис.  5).

Рисунок  5.  Высокотемпературные  измерения  в  свободном  пространстве

Список  литературы:

1.Брант  А.А.  Исследование  диэлектриков  на  сверхвысоких  частотах.  М.  1963.  —  404  с.

2.Мищенко  С.В.,  Малков  Н.А.  Проектирование  радиоволновых  (СВЧ)  приборов  неразрушающего  контроля  материалов.  изд.  ТГТУ.  2003.  —  102  с.

3.Agilent  Тесhnologies.  Основы  измерения  диэлектрических  свойств  материалов.  Заметки  по  применению.  Agilent  Тесhnologies.  2010.  —  32  с.