УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ БОЛЬШИХ ЗНАЧЕНИЙ КОМПЛЕКСНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ СИЛЬНО ПОГЛОЩАЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ НА СВЧ Российский патент 2003 года по МПК G01R27/04 G01R27/06 

Изобретение относится к области измерения электрических величин и может быть использовано в производстве существующих и новых поглощающих материалов типа углепластиков, применяется в СВЧ диапазоне, а также для контроля электрических параметров диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранное в качестве прототипа устройство для измерения комплексной диэлектрической проницаемости косвенным методом, включающее открытый на конце прямоугольный волновод 1, заканчивающийся фланцем, эталонный короткозамыкатель и измеряемый материал 3, использующийся в качестве замыкающей пластины [см. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М. : Физматгиз, 1963. - 192 с.]. Измерения проводятся в два этапа, в начале к волноводному фланцу подключается короткозамыкатель и производится калибровка установки, затем к волноводному фланцу взамен короткозамыкателя крепится исследуемый плоский образец диэлектрика (фиг.1). От СВЧ генератора по волноводу 1 подается зондирующая электромагнитная волна. Информация о параметрах материала заключается в амплитудах и фазах отраженных волн, т.е. в комплексном коэффициенте отражения от образца. Для измерения коэффициента отражения могут применяться одиночные и многозондовые измерительные линии, автоматические измерительные линии, автоматические измерители полных сопротивлений и т.п. Обработка результатов производится по следующей методике [см. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз, 1963. - 192 с.].

Коэффициент отражения имеет вид

Здесь , где ε′ - вещественная часть диэлектрической проницаемости; ε″ - мнимая часть диэлектрической проницаемости; tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь.

Формулу (1) можно представить в следующем виде:

На фиг. 2 показаны графики зависимости относительной диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ от (|Г|, ϕ), при ϕ_→180^° графики очень быстро возрастают, поэтому при наличии инструментальной ошибки измерения ϕ получатся большая ошибка определения относительной диэлектрической проницаемости ε.

Недостатком описанного прототипа являются большие ошибки измерения ε и tgδ для сильно поглощающих материалов, имеющих одновременно большие значения диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ и характеризующихся большими коэффициентами отражения от образца. Это происходит потому, что в известном устройстве взаимодействие зондирующей волны с исследуемым образцом происходит на участке малых размеров, что повышает чувствительность метода к ошибкам измерений. Потому что при наличии инструментальной погрешности измерения амплитуды |Г| и фазы |ϕ| коэффициента отражения из-за большой крутизны графиков ε(ϕ), tgδ(ϕ) для разных значений амплитуды Г коэффициента отражения значения ε и tgδ будут характеризоваться большими ошибками.

Сущность изобретения заключается в уменьшении погрешности измерения относительной диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ сильно поглощающих материалов типа углепластиков, обладающих одновременно большими значениями диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ.

Технический результат - возможность получения более точной измерительной информации о комплексной диэлектрической проницаемости сильно поглощающих материалов, имеющих одновременно большие значения диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ, что необходимо при производстве таких материалов при контроле за ходом технологии производства и при проектировании СВЧ изделий из таких материалов, например защитных укрытий.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для измерения больших значений комплексной диэлектрической проницаемости поглощающих материалов на СВЧ представляет собой короткозамкнутый прямоугольный волновод, у которого на одной из боковых стенок выполнена продольная щель большой длины параллельно оси волновода и снабженная согласующими скосами. Ширина щели может совпадать с шириной соответствующей стенки волновода. Измерение диэлектрической проницаемости производится в два этапа, в начале щель закрывается эталонным короткозамыкателем, затем щель закрывается пластиной исследуемого материала. От СВЧ генератора по волноводу подается зондирующая электромагнитная волна, которая распространяется по волноводу со щелью и взаимодействует с измеряемым образцом. В обоих случаях производится измерение комплексного коэффициента отражения от волновода со щелью. Значения ε и tgδ измеряемого материала находятся из результатов измерений по дисперсионным уравнениям

и уравнению коэффициента распространения моды Н₁₀ [см. Левин Л. Теория волноводов. - М.: Радио и связь, 1981, 312 с.]. Причем указанное уравнение имеет меньшую чувствительность к инструментальным ошибкам измерения |Г| и ϕ, так как изменяются условия взаимодействия зондирующей волны с исследуемым материалом, что приводит к накоплению измерительной информации.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения.

Определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном решении.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности заявленным изобретением не предусматриваются следующие требования:
- дополнение известного средства какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений,
- замена какой-либо части средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата;
- увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов;
- выполнение известного средства или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала;
- создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между другими.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака, представлении таких признаков во взаимосвязи либо изменении ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, закономерностей.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.3 и на фиг.4 приведена структурная схема короткозамкнутого прямоугольного волновода, у которого на одной из боковых стенок изготовлена продольная щель большой длины, параллельная оси волновода и снабженная согласующими скосами заявленного устройства.

Устройство содержит СВЧ генератор, измерительное устройство для измерения комплексной относительной диэлектрической проницаемости и короткозамкнутый прямоугольный волновод 1, у которого на одной из боковых стенок изготовлена продольная щель большой длины, параллельная оси волновода и снабженная согласующими скосами, эталонный короткозамыкатель и измеряемый материал.

Устройство работает следующим образом.

Короткозамкнутый прямоугольный волновод 1 с измеряемым образцом 2 подключается к измерительной схеме и СВЧ генератору. От СВЧ генератора по короткозамкнутому прямоугольному волноводу подается зондирующая волна, которая движется по короткозамкнутому прямоугольному волноводу с продольной щелью, доходит до короткозамкнутого конца волновода 3, отражается и движется в обратном направлении. Сначала производится измерения комплексного коэффициента отражения зондирующей волны от волновода с эталонным короткозамыкателем, установленным на место щели, затем производятся измерения коэффициента отражения зондирующей волны, когда установлен измеряемый образец 2 (пластина) из измеряемого материала. Из полученных результатов комплексных коэффициентов отражения зондирующей волны от короткозамкнутого прямоугольного волновода 1 с измеряемым образцом 2 и с эталонным короткозамыкателем вычисляется значение комплексной диэлектрической проницаемости измеряемого материала.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупностью условий:
- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в производстве новых поглощающих материалов для измерения их электрических характеристик;
- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Изобретение относится к измерению электрических величин и может быть использовано в производстве существующих и новых поглощающих материалов типа углепластиков, применяется в СВЧ диапазоне, а также для контроля электрических параметров диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь. Технический результат - возможность получения более точной измерительной информации о комплексной диэлектрической проницаемости сильно поглощающих материалов, имеющих одновременно большие значения диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ, что необходимо при производстве таких материалов, при контроле за ходом технологии производства и при проектировании СВЧ изделий из таких материалов, например защитных укрытий. В устройстве для измерения больших значений комплексной диэлектрической проницаемости сильно поглощающих материалов на СВЧ прямоугольный волновод короткозамкнутый на конце, а на его боковой стенке выполнена продольная щель большой длины, снабженная согласующими скосами, которая в процессе измерения закрывается эталонным короткозамыкателем или измеряемым образцом. 4 ил.

Устройство для измерения больших значений комплексной диэлектрической проницаемости сильно поглощающих материалов на СВЧ, характеризующихся большими значениями комплексной относительной диэлектрической проницаемости, содержащее СВЧ-генератор, измерительное устройство комплексного коэффициента отражения, прямоугольный волновод, эталонный короткозамыкатель и образец измеряемого материала, при этом от СВЧ-генератора подается зондирующая волна, которая движется по прямоугольному волноводу, отражается и движется в обратном направлении, отличающееся тем, что прямоугольный волновод выполнен короткозамкнутым на конце, а на его боковой стенке выполнена продольная щель параллельно оси волновода, снабженная согласующими скосами, которая в процессе измерения закрывается эталонным короткозамыкателем или измеряемым образцом.