СВЧ-СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТОЛЩИНЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛАСТИН Российский патент 2005 года по МПК G01B15/02 G01R27/26 

Изобретение относится к способам измерения диэлектрической проницаемости, а также толщины диэлектрических пластин и может быть использовано для контроля и регулирования состава и свойств материалов в процессе их производства и эксплуатации.

Известен способ определения толщины покрытий на изделиях из ферромагнитных материалов, в основу которого положен пондеромоторный принцип (см. Приборы для неразрушающею контроля материалов и изделий. Справочник под. ред. В.В.Клюева. - 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1986, с.58).

Этот способ обладает следующими недостатками: не допускает быстродействующего сканирования больших поверхностей и нечувствителен к изменению диэлектрической проницаемости.

Известен способ определения толщины диэлектрических покрытий на электропроводящей основе (см. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник под. ред. В.В.Клюева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986, с.120-125), заключающийся в создании вихревых токов в электропроводящей подложке и последующей регистрации комплексных напряжений или сопротивлений вихретокового преобразователя как функции электропроводности подложки и величины зазора между преобразователем и подложкой.

Недостатками данного способа являются наличие металлической подложки, что влечет за собой зависимость точности измерения толщины покрытия от зазора между преобразователем и подложкой, отсутствие возможности измерения диэлектрической проницаемости покрытия или пластины, высокая чувствительность к изменению параметров подложки (удельной электропроводности и магнитной проницаемости) и малое быстродействие сканирования больших поверхностей.

Известен, принятый за прототип, способ определения диэлектрической проницаемости диэлектриков либо материалов с небольшими потерями (см. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на СВЧ. - М.: ГИФМЛ, 1963, с.290-294), основанный на измерении угла Брюстера. Отношение мощности, регистрируемой приемником после отражения от исследуемого образца, к мощности, регистрируемой при замене образца идеально отражающей поверхностью, позволяет найти коэффициент отражения по мощности. Измеренный таким образом коэффициент отражения по мощности при различных углах падения позволяет вычислить действительную и мнимую части диэлектрической проницаемости.

Недостатком данного способа является малая точность измерения диэлектрической проницаемости, наличие металлической подложки и невозможность определения толщины покрытия.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения комплексной диэлектрической проницаемости и толщины диэлектрических пластин в отсутствие металлической подложки.

Сущность изобретения состоит в том, что в СВЧ-способе определения комплексной диэлектрической проницаемости и толщины диэлектрических пластин, включающем помещение диэлектрической пластины в высокочастотное электромагнитное поле и последующую регистрацию изменения параметров, характеризующих высокочастотное излучение, с помощью устройства возбуждения, представляющего собой направленную антенну (рупор), возбуждают Е-волну, падающую на диэлектрическую пластину; по отсутствию поля отраженной волны или по его минимуму определяют угол Брюстера падающей волны , рассчитывают величину диэлектрической проницаемости ε'

измеряют мощности падающей и отраженной волн, определяют величину коэффициента отражения

и рассчитывают удельную проводимость

и величину диэлектрических потерь диэлектрической пластины (мнимую часть диэлектрической проницаемости) ε"

увеличивают угол падения электромагнитной волны до величины, обеспечивающей полное внутреннее отражение электромагнитной волны, измеряют затухание напряженности поля в нормальной плоскости относительно направления распространения волны, рассчитывают коэффициенты нормального затухания α_E из выражения E(y)=E₀exp[-α(y)·y] и толщину диэлектрической пластины

Сущность предлагаемого СВЧ-способа определения комплексной диэлектрической проницаемости и толщины диэлектрических пластин поясняется следующим. С помощью устройства возбуждения электромагнитной волны 1 (см. чертеж), представляющего собой внешнюю рупорную антенну, возбуждают падающую на диэлектрическую пластину 2 электромагнитную волну с вертикальной поляризацией - Е-волну, где вектор электрического поля Е лежит в плоскости падения электромагнитной волны.

Изменяя угол падения электромагнитной волны механическим качанием излучателя или электронным изменением положения направления максимума ДН, определяют угол Брюстера падающей волны . Индикация угла Брюстера осуществляется измерителем минимальной мощности отражения или индикатором смены вида поляризации 3. Определение угла Брюстера возможно двумя способами.

а) Индикация отсутствия поля отраженной волны в случае, если покрытие представляет собой диэлектрик, т.e. γ=0, или поиск его минимума, когда покрытие обладает потерями (γ≠0) и отраженная волна не исчезает полностью, а проходит через минимум при угле падения электромагнитной волны, равному углу Брюстера.

б) Второй способ базируется на явлении полной поляризации отраженной волны, наблюдаемой при угле Брюстера. В случае, если падающая волна имеет вращающуюся поляризацию (эллиптическую в общем случае), индикация угла Брюстера осуществляется в момент, когда отраженная волна будет иметь линейную параллельную поляризацию. Полная поляризация отраженной волны отсутствует для волн, имеющих Н-поляризацию, где вектор Е перпендикулярен плоскости падения электромагнитной волны.

Согласно Маркову Г.Т., Петрову Б.М., Грудинской Г.П. (Электродинамика и распространение радиоволн. - М.: Сов. Радио, 1979, с.238-240) угол полного преломления для Е-воля - угол Брюстера в первом приближении для сред без потерь (γ=0) определяется

Это позволяет (см. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на СВЧ. - М.: ГИФМЛ, 1963, с.290-294) по измеренному углу Брюстера определить величину диэлектрической проницаемости ε' по формуле

Значение проницаемости, определенное из (2) для диэлектрических пластин, обладающих потерями, соответствующих tgδ≤0,2, имеет погрешность не более 2%.

Мерой величины потерь диэлектрического слоя, т.е. величины ε″, служит минимальная величина коэффициента отражения при угле падения электромагнитной волны θ₀, равному углу Брюстера. Коэффициент отражения при γ>0 уже не равен нулю и тем больше, чем больше величина γ или ε″ (см. Марков Г.Т., Петров Б.М., Грудинская Г.П. Электродинамика и распространение радиоволн. - М.: Сов. Радио, 1979, с.238-240).

Измеряя с помощью 3 мощность отраженной волны Р_отр и зная мощность падающей волны Р_пад, определяем величину ε" или γ. В первом приближении

или

Пусть измеренное значение =α, тогда

где k₁, k₂, k₃, k₄ - коэффициенты пропорциональности.

Из второго закона Снеллиуса, учитывая, что и μ’=1, следует

откуда

При значении величины магнитной проницаемости

Модуль коэффициента отражения (минимальное его значение)

С учетом того, что

откуда а

получаем

Несмотря на потери, параметры диэлектрика удовлетворяют условию

тогда

Учитывая, что , ; и путем некоторых математических преобразований окончательно получаем Откуда получаем формулы удельной проводимости

где λ_Г - длина волны генератора,

и величины диэлектрических потерь диэлектрической пластины (мнимую часть диэлектрической проницаемости) ε"

Таким образом, величины γ или ε" рассчитываются при известной длине волны генератора λ_Г по измеренному коэффициенту отражения и рассчитанной ранее по значению угла Брюстера величине ε’.

При этом внутри слоя отсутствует медленная поверхностная волна, т.е. θ_пр всегда меньше угла полного внутреннего отражения, т.е.

sinθ_пр=sinθ_{полн.внутр.отр}=ε^-1/2.

По полученным значениям ε' и ε″ рассчитывают , т.е. ее модуль

и аргумент

Увеличивают угол θ₀ до величины, заведомо обеспечивающей полное внутреннее отражение, т.е. когда При этом имеет место отраженная сверху волна, в отличие от медленной волны, вытекающей “быстрой” волны при малых значениях градиентов диэлектрической проницаемости или толщины диэлектрической пластины, а также при радиусе кривизны пластины намного больше длины волны генератора.

С помощью устройства измерения коэффициента нормального затухания α_Е - 4 измеряют затухание напряженности поля электромагнитной волны в нормальной плоскости относительно направления распространения волны и рассчитывают коэффициенты нормального затухания α_Е из выражения

E(y)=E₀exp[-α(y)·y],

где Е(y) - напряженность поля волны на расстоянии y от диэлектрической пластины в нормальной плоскости относительно направления распространения поверхностной волны (см. чертеж);

Е₀ - напряженность поля волны, измеряемая приемным вибратором на расстоянии у₀ от диэлектрической пластины в нормальной плоскости (см. чертеж);

α(y)=α_Е - коэффициент нормального затухания поля волны на расстоянии у от диэлектрической пластины;

у - расстояние от поверхности диэлектрической пластины до приемного вибратора.

В микропроцессорном устройстве 5 рассчитывают толщину диэлектрической пластины из формулы

Таким образом, предлагаемый СВЧ-способ определения комплексной диэлектрической проницаемости и толщины диэлектрических пластин позволяет определить комплексную диэлектрическую проницаемость диэлектрических пластин и их толщину, а также определить их удельную проводимость.

Так как в данном способе отсутствует металлическая подложка и существует режим бегущих волн, а измерения относительные и не зависят от расстояния вибраторов до поверхности, что не требует специальных мер отстройки от зазора, повышается точность измерений и существует возможность быстрого сканирования поверхности без перемещения возбудителя поверхностной волны.

Способ может быть использован для контроля состава и свойств материалов в процессе их производства и в эксплуатации. С помощью направленной антенны возбуждают Е-волну, падающую на диэлектрическую пластину. По минимуму поля отраженной волны определяют угол Брюстера падающей волны и рассчитывают величину диэлектрической проницаемости. Измеряют мощности падающей и отраженной волн, определяют величину коэффициента отражения и рассчитывают удельную проводимость и величину диэлектрических потерь диэлектрической пластины. Увеличивают угол падения электромагнитной волны до величины, обеспечивающей полное внутреннее отражение электромагнитной волны, измеряют затухание напряженности поля в нормальной плоскости относительно направления распространения волны, рассчитывают коэффициенты нормального затухания и толщину диэлектрической пластины. Способ позволяет определять комплексную диэлектрическую проницаемость и толщину диэлектрических пластин, не имеющих диэлектрической подложки. 1 ил.

СВЧ-способ определения комплексной диэлектрической проницаемости и толщины диэлектрических пластин, включающий помещение диэлектрической пластины в высокочастотное электромагнитное поле и последующую регистрацию изменения параметров, характеризующих высокочастотное излучение, отличающийся тем, что с помощью устройства возбуждения, представляющего собой направленную антенну (рупор), возбуждают Е-волну, падающую на диэлектрическую пластину, по отсутствию поля отраженной волны или по его минимуму определяют угол Брюстера падающей волны рассчитывают величину диэлектрической проницаемости ε':

измеряют мощности падающей и отраженной волн, определяют величину коэффициента отражения и рассчитывают удельную проводимость

и величину диэлектрических потерь диэлектрической пластины (мнимую часть диэлектрической проницаемости) ε"

увеличивают угол падения электромагнитной волны до величины, обеспечивающей полное внутреннее отражение электромагнитной волны, измеряют затухание напряженности поля в нормальной плоскости относительно направления распространения волны, рассчитывают коэффициенты нормального затухания α_E и толщину диэлектрической пластины: