Способ измерения относительной комплексной диэлектрической проницаемости материала с потерями в СВЧ диапазоне Российский патент 2017 года по МПК G01R27/00 

Изобретение относится к измерению электрических величин и может быть использовано для определения относительной комплексной диэлектрической проницаемости материалов с потерями и земных покровов в СВЧ диапазоне длин волн поля, падающего на измеряемый образец.

Известен способ измерения диэлектрической проницаемости диэлектриков на СВЧ с помощью коаксиального резонатора (Артур Р. Хиппель. Диэлектрики и их применение. - М.-Л.: Гос. Энергетическое издательство, 1959, с. 70). Способ состоит в следующем. Образец диэлектрика в виде шайбы помещают в разрыв внутреннего проводника резонатора. Резонатор настраивают в резонанс и измеряют показания по вольтметру. Далее образец удаляют, настраивают резонатор в резонанс и вновь измеряют показания по вольтметру. В двух измерениях определяют емкость резонатора и по ним рассчитывают диэлектрическую проницаемость образца диэлектрика.

Общим признаком аналога и изобретения является косвенный способ измерения диэлектрической проницаемости образцов материалов.

Способ-аналог измерения диэлектрической проницаемости не может быть использован для измерения диэлектрической проницаемости больших плоских образцов материала без их разрушения и для измерения диэлектрической проницаемости земных покровов, что является недостатками аналога.

Известны устройство и способ измерения больших значений комплексной, диэлектрической проницаемости поглощающих материалов на СВЧ и способ измерения (Патент РФ на изобретение №2199760, 2001), принятые за прототип изобретения. Способ состоится в том, что короткозамкнутый волновод с измеряемым образцом подключают к измерительной схеме с СВЧ генератором. От СВЧ генератора по короткозамкнутому волноводу подается зондирующая волна, которая движется по волноводу с продольной щелью, доходит до короткозамкнутого конца волновода, отражается и движется в обратном направлении.

Производят измерение зондирующей волны, отраженной от короткозамыкателя волновода, после чего производят измерение коэффициента отражения зондирующей волны, когда в щели установлен плоский измеряемый образец материала. Из полученных результатов комплексных коэффициентов отражения зондирующей волны от короткозамкнутого волновода вычисляют значение комплексной диэлектрической проницаемости измеряемого образца материала.

Общим признаком прототипа и изобретения является косвенный способ измерения относительной комплексной диэлектрической проницаемости образцов материалов.

Способ-прототип измерения диэлектрической проницаемости не может быть использован для измерения диэлектрической проницаемости больших плоских образцов без их разрушения и для измерения диэлектрической проницаемости участков земных покровов, что является недостатками прототипа.

Технический результат изобретения - косвенный способ измерения в СВЧ диапазоне комплексной диэлектрической проницаемости больших по сравнению с длиной волны плоских образцов материалов с потерями, используемых, например, для облицовки безэховых камер (БЭК), и измерение диэлектрической проницаемости земных покровов.

Способ измерения относительной комплексной диэлектрической проницаемости материалов с потерями основан на прямом измерении зависимости коэффициента отражения Френеля от угла падения волны на образец и определении по этой зависимости угла Брюстера.

Изобретение поясняется чертежами и графиками.

На фиг. 1 представлена схема измерения коэффициента отражения коэффициента Френеля плоского образца материала с помощью рефлектометра, где введены обозначения: 1 - образец материала с потерями; 2 - металлическая подложка; 3 - передающая и 4 - приемная антенны рефлектометра; 5 - генератор СВЧ; 6 - приемник; θ° - угол падения-отражения.

На фиг. 2 - зависимость коэффициента отражения от угла падения для асфальтового покрытия на длине волны 3 см, расчетное значение ε=4,3.

На фиг. 3 - зависимость коэффициента отражения от угла падения для суглинка с влажностью 20% на длине волны 3 см, расчетное значение ε=17.

Фиг.4. Зависимость коэффициента отражения от угла падения на поверхность пресной воды на длине волны 1 м, расчетное значение ε=80.

Антенны 3 и 4 могут быть выполнены в виде волноводных рупоров.

Образец материала должен иметь продольный и поперечный размеры много больше длины волны λ падающего на образец поля, не менее 5λ.

Передающую 3 и приемную 4 антенны устанавливают с возможностью перемещения по дуге окружности радиусом R, равным расстоянию до образца (фиг. 1). Образец 1 устанавливают в дальней зоне антенн, на расстоянии R, равном

R=2D²/λ,

где D - диаметр апертуры антенны;

λ - длина волны падающего поля.

Коэффициент отражения Френеля образца материала измеряют в пределах углов падения θ от 40 до 90°.

Предпосылки изобретения

Известно (Харвей А.Ф. Техника сверхвысоких частот. - М.: Советское радио, 1965, с. 41-42), что на поверхности раздела между свободным пространством и диэлектриком имеет место как полное отражение, так и преломление. Если углы θ и φ соответствуют углам падения и преломления, то по закону Снелля для волны, входящей в диэлектрик, записывается

sinθ/sinφ=√ε,

где ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

Отраженная волна распространяется всегда под углом - θ. Ее амплитуда для интересующего нас случая преломления в более плотной среде определяется коэффициентом Френеля, который равен

ρ=(√ε⋅cosθ-cosφ)/(√ε⋅cosθ+cosφ)=tg(θ-φ)/tg(θ+φ),

когда электрическое поле волны параллельно плоскости падения. При (θ+φ)=90°, знаменатель в этом выражении становится бесконечно большим числом, а коэффициент отражения равным нулю. Угол θ_в, при котором волна не отражается от образца, нулевое отражение, называется углом Брюстера.

Формула для ρ справедлива при измерении коэффициента Френеля на границе раздела двух полубесконечных сред: воздух - диэлектрик, когда преломленная волна не возвращается обратно. Преломленная волна не возвращается обратно, например, при измерении диэлектрической проницаемости участка поверхности земли (воды) или материала с потерями применяемого, например, для облицовки безэховых камер (БЭК), она затухает.

Способ измерения на СВЧ относительной комплексной диэлектрической проницаемости материалов ε с потерями состоит в том, что изготавливают плоский образец материала с размерами сторон не менее 5 длин волн.

После чего с помощью СВЧ рефлектометра (фиг. 1) измеряют коэффициент отражения Френеля образца в диапазоне углов падения от 40 до 90°, когда поляризация антенн рефлектометра параллельна плоскости падения.

В диапазоне углов падения от 40 до 90° определяют угол θ_в, при котором коэффициент отражения Френеля равен нулю или имеет минимальное значение. Этот угол называют углом Брюстера, он равен arctg√ε, где ε - относительная диэлектрическая проницаемость образца материала.

По измеренному углу Брюстера θ_в относительную комплексную диэлектрическую проницаемость ε образца материала рассчитывают по формуле ε=(tgθ_в)².

Так, например, при угле Брюстера θ_в, равном 56°, tgθ_в=1,5, ε=2,25.

Для подтверждения правомерности определения ε по значению угла Брюстера θ для различных земных покровов были рассчитаны коэффициенты отражения Френеля (Штагер Е.А. Физические основы стелс-технологии. - С. Петербург, изд-во ВВМ, 2012, с. 237-245). Графики коэффициентов отражения в функции углов падения представлены на фиг. 2-4.

На графике фиг. 2 угол Брюстера θ_в равен 64° при расчетном значении ε=4,3. В соответствии с формулой ε=(tgθ_в)²=(2,05)²=4,25, погрешность определения ε по углу Брюстера θ_в составляет 1%.

На графике фиг. 3 угол Брюстера θ_в равен 76° при расчетном значении ε=17. В соответствии с формулой ε=(tgθ_в)²=(4,05)²=16,5, погрешность определения ε по углу Брюстера θ_в составляет 3%.

На графике фиг. 4 угол Брюстера θ_в равен 83,5° при расчетном значении ε=80. В соответствии с формулой ε=(tgθ_в)²=(8,8)²=78 погрешность определения ε по углу Брюстера θ_в составляет 2%.

Из графиков фиг. 2-4 следует, что значения ε, принятые для расчета зависимости коэффициентов Френеля от угла падения, равные: 4,3; 17 и 80, и значения ε, рассчитанные по формуле ε=(tgθ_в)², отличаются не более чем на 3%. Поэтому правомерно рассчитывать значения относительной комплексной диэлектрической проницаемости земных покровов по углу Брюстера θ_в, определенного из графика зависимость коэффициента отражения Френеля от угла падения на плоский участок земного покрова.

Использование: для определения относительной комплексной диэлектрической проницаемости материалов с потерями. Сущность изобретения заключается в том, что с помощью СВЧ рефлектометра измеряют зависимость коэффициента отражения Френеля плоского образца материала от угла падения в пределах от 40 до 90°, когда электрическое поле волны параллельно плоскости падения, после чего по графику зависимости коэффициента отражения Френеля от угла падения определяют угол Брюстера θ_в, а относительную комплексную диэлектрическую проницаемость ε образца материала или участка поверхности земли рассчитывают по формуле ε=(tgθ_в)². Технический результат: обеспечение возможности измерения в СВЧ диапазоне комплексной диэлектрической проницаемости больших по сравнению с длиной волны плоских образцов. 4 ил.

Способ измерения относительной комплексной диэлектрической проницаемости плоского образца материала с потерями или плоского участка поверхности земли (воды) в СВЧ диапазоне волн состоит в том, что с помощью СВЧ рефлектометра измеряют зависимость коэффициента отражения Френеля плоского образца материала или плоского участка поверхности земли от угла падения в пределах от 40 до 90°, когда электрическое поле волны параллельно плоскости падения, после чего по графику зависимости коэффициента отражения Френеля от угла падения определяют угол Брюстера θ_в, а относительную комплексную диэлектрическую проницаемость ε образца материала или участка поверхности земли рассчитывают по формуле ε=(tgθ_в)².