Способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости материала в диапазоне СВЧ Российский патент 2023 года по МПК G01R27/26 G01N22/00 

Изобретение относится к области радиоизмерений параметров диэлектрических материалов на СВЧ, включая относительную диэлектрическую проницаемость ε_r и тангенс угла диэлектрических потерь tgδ, которые образуют комплексную относительную диэлектрическую проницаемость ε_r = ε_r' +j ε_r''= ε_r' (1+j tgδ).

Известные способы определения параметров диэлектрических материалов используют СВЧ устройства, в которые вставляют образец из материала, у которого нужно измерить комплексную относительную диэлектрическую проницаемость. Это устройство подключают к измерительным приборам и определяют коэффициент отражения и/или коэффициента передачи СВЧ-устройства. По результатам измерения и формулам, номограммам, программам, приведенным для используемого устройства, определяют параметры материала.

На Фиг. 1 приведены 4 типа используемых устройств СВЧ:

а) резонатор с волной Е₀₁₀ и стержневым образцом 1 из испытуемого материала;

б) прямоугольный волновод с образцом 1 прямоугольного сечения;

в) прямоугольный или круглый волновод, к фланцу которого прижата пластина-образец 1;

г) два рупора, между которыми расположен образец 1 больших размеров.

Первым на Фиг. 1а показан резонаторный метод. В этом случае измеряют частоту настройки резонатора и добротности резонансных кривых резонатора со вставленным образцом и пустого резонатора, после чего по соответствующим формулам вычисляют комплексную диэлектрическую проницаемость испытуемого материала [В.Н. Егоров. Резонансные методы исследования диэлектриков на С.В.Ч. // Приборы и техника эксперимента. 2007. - №2. - С.5-38; Патент РФ №2231 078 С1, МПК G01R 27/04, опубл. 20.06.2004 Бюл. №17; Патент РФ №2253 123С1, МПК G01R 27/26, опубл. 27.05.2005 Бюл. №15; US 4801862, G01N 22/00 Jan. 31, 1989; US 5532604, G01N 22/00 Jul. 2, 1996; Патент РФ №2744 158 С1, МПК G01R 27/26, опубл. 03.03.2021 Бюл. №7; US 10553926 B2, H01P 7/04, H01P 7/10 Feb. 4, 2020; US 7199591 B2, G01R 27/04 May 5, 2005; US 6496018 B1, G01R 27/04 Dec. 17, 2002].

Вторым на Фиг. 1б показан волноводный метод. Параметры испытуемого материала здесь вычисляют по изменению коэффициента отражения волноводного тракта после размещения в нем соответствующего образца.

4 типа, г) на Фиг. 1. Образец может быть пластиной, как в способе RU 2713162 C1 (опубл. 04.02.2020, Бюл. №4), или, как изображено на Фиг. 1, заготовкой относительно простой геометрии (шар, эллипсоид и т.п.).

Известны способы определения параметров диэлектрических материалов в свободном пространстве, основанные на анализе прошедших и отраженных от пластины диэлектрика электромагнитных волн [Семененко В.Н., Чистяев В.А. Методики измерения диэлектрической проницаемости листовых образцов материалов в СВЧ диапазоне частот в свободном пространстве Материалы 20-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 13-17 сентября, Севастополь, Крым, 2010 г., с. 1091-1092].

При этом измеряют комплексный коэффициент передачи между передающей и приемной антеннами без образца материала и в его присутствии, или амплитуду и фазу волны, отражающейся от образца [А.А. Брандт. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах М.: Физматгиз, 1963. - 404 с.; D. K. Ghodgaonkar, V. V. Varadan and V. K. Varadan. Free-Space Measurement of Complex Permittivity and Complex Permeability of Magnetic Materials at Microwave Frequencies. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. Vol. 39 № 2, April, 1990; В.И. Сусляев, В.А. Журавлев, Е.Ю. Коровин, Ю.П. Землянухин. Рупорный метод измерения электромагнитного отклика от плоских образцов в диапазоне частот 26-37,5 ГГц с улучшенными метрологическими характеристиками. Радиотехника. Телекоммуникация. Антенны. Микроволновые устройства. Доклады ТУСУРа, №2 (24) часть 1, декабрь 2011. с. 227-231; Патент РФ №2688588 С1, G01R 27/26, опубл. 21.05.2019 Бюл. №15].

Известны способы определения диэлектрической проницаемости материалов по мощности и фазе волны, отраженной от пластины, расположенной под углом Брюстера [А.с. СССР №1550436, кл. G01R 27/26, 15.03.1990 Бюл. №10; Патент РФ №2249178 С2, МПК G01B 15/02, G01R 27/26, опубл. 27.03.2005 Бюл. №9; Патент РФ №2613810 С1, МПК G01R 27/00, опубл. 21.03.2017 Бюл. №9].

Недостаток перечисленных способов 4 типа состоит в том, что образец должен быть пластиной большого волнового размера и результаты измерения комплексной диэлектрической проницаемости не отличаются высокой точностью.

Наиболее близким способом по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости, описанный в действующем стандарте ГОСТ 27496.2-87 (МЭК 377-2-77) «Методы определения диэлектрических свойств на частотах свыше 300 МГц. Резонансные методы». Суть способа описана в п. 5 «Методика измерения» и состоит в том, что измеряют частотную зависимость коэффициента передачи от входа к выходу резонатора со вставленным в него образцом испытываемого материала, определяют/оценивают резонансную частоту f_L и полуширину резонансной кривой δf_L, образец извлекают из резонатора и выполняют аналогичные измерения резонансной частоты f_U и полуширины резонансной кривой δf_Г, затем по формулам, соответствующим используемому резонатору и размерам образца, оценивают значение относительной диэлектрической проницаемости ε_r и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ.

ГОСТ 27496.2-87 регламентирует 4 типа СВЧ - резонаторов: проходной цилиндрический, коаксиальный, закрытый резонатор с волной определенного типа и открытый резонатор. Образец из испытуемого материала имеет форму цилиндрической шайбы (с отверстием в случае коаксиального резонатора) или круглого стержня.

Недостаток прототипа состоит в том, что область его применения ограничена четырьмя типами СВЧ резонаторов и, соответственно, ограничены форма и размеры испытуемого образца. Кроме того, ограничивает область применения прототипа ограничена материалами с малыми потерями, поскольку точность измерений существенно снижается при высоких потерях (больших значениях tgδ).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение области применения способа как в отношении использования СВЧ устройств различной конфигурации, так и в отношении формы, размеров и параметров измеряемого образца.

Технический результат достигается тем, что способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости материала в диапазоне СВЧ включает: размещение образца из исследуемого материала в СВЧ-устройстве, выполненном из известных материалов, измерение частотной зависимости коэффициента отражения или/и коэффициента передачи СВЧ-устройства с расположенным возле него или в нем образцом из испытуемого материала и обработку результатов измерения, сводящуюся к тому, что в подходящей среде электродинамического моделирования рассчитывают частотные зависимости коэффициента отражения или коэффициента передачи СВЧ-устройства с расположенным возле него или в нем испытуемым образцом, варьируют фигурирующие в электродинамической модели значения комплексной диэлектрической проницаемости образца и определяют значение, при котором расчетная частотная зависимость коэффициента отражения и/или коэффициента передачи минимально отличается от измеренной зависимости.

Изобретение поясняется чертежом.

На фиг. 1 из многих возможных представлены 4 типа СВЧ устройств, которые могут использоваться при реализации заявляемого способа измерения:

а) - резонатор с волной Е₀₁₀ и стержневым образцом 1 из испытуемого материала;

б) - прямоугольный волновод с образцом 1 прямоугольного сечения;

в) - прямоугольный или круглый волновод, к фланцу которого прижата пластина-образец 1;

г) - два рупора, между которыми расположен образец 1 больших размеров. Образец может быть пластиной, как в способе RU 2713162 C1 (опубл. 04.02.2020, Бюл. №4), или, как изображено на Фиг. 1, заготовкой относительно простой геометрии (шар, эллипсоид и т.п.), если не желательно или технологически сложно высекать из нее малый образец.

Тип используемого СВЧ-устройства зависит от характера измеряемого материала. Так, материал с большими потерями точнее измеряется в волноводном варианте (Фиг. 1б), измерение локальных параметров большой пластины можно достичь в варианте (Фиг. 1в).

Предпосылки изобретения - наличие универсальных сред моделирования устройств СВЧ и антенн, таких, например, как CST MWS, HFSS, высокая точность которых подтверждена практикой их широкого применения [Курушин А.А., Пластиков А.Н. Проектирование СВЧ устройств в среде CST Microwave Studio. - М.: МЭИ, 2011, 155 с.; Банков Е.А., Курушин А.А. Проектирование СВЧ устройств и антенн с Ansoft HFSS. М.: 2009, 736 с.].

Заявляемый способ включает размещение образца из исследуемого материала в СВЧ-устройстве, измерение частотной зависимости коэффициента отражения и/или коэффициента передачи СВЧ-устройства с расположенным в нем образом и обработку результатов измерения, которая состоит в том, что в подходящей среде моделирования рассчитывают частотные зависимости коэффициента отражения или/и коэффициента передачи СВЧ-устройства с расположенным возле него или в нем испытуемым образцом, варьируют фигурирующие в электродинамической модели значения комплексной диэлектрической проницаемости образца и определяют значение, при котором расчетные частотные зависимости коэффициента отражения и/или коэффициента передачи минимально отличается от измеренных зависимостей.

При переходе к использованию оригинального СВЧ-устройства или смене среды моделирования дополнительно измеряют и моделируют частотную зависимость коэффициента отражения и/или коэффициента передачи СВЧ-устройства без расположенного в нем испытуемого образца, и по близости результатов измерений и расчетов судят о приемлемости используемой среды моделирования.

Наконец, заметим, что в известных способах измерения комплексной диэлектрической проницаемости материала важна точность изготовления СВЧ-устройства и испытуемого образца, поскольку при обработке результатов измерений используются формулы или номограммы, относящиеся к определенной структуре. В заявляемом способе результаты измерений сопоставляются с результатами моделирования, и в этой ситуации важна точность задания записываемых в модель параметров СВЧ-устройства и испытуемого образца, что обеспечить на порядок проще.

Особенность заявляемого способа заключается в том, что вместо применения формул или номограмм для оценки комплексной диэлектрической проницаемости материала используются среды моделирования конкретных СВЧ-устройств с испытуемыми образцами.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что не обнаружено источника, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения.

Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения.

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 на технический результат и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены, исходя из известных зависимостей, закономерностей.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата.

Способ реализуется с помощью СВЧ-устройства, четыре из возможных типы которого приведены на фиг. 1, где 1 - образец из испытуемого материала.

На первом этапе измеряют частотные зависимости коэффициента отражения и/или коэффициента передачи СВЧ-устройства с расположенным в нем образом. Для этого служат векторные анализаторы цепей, например, типов PNA-X-Keysight, Р4226А-Микран, ZVA-Rohde & Schwarz. Высокая точность измерений обеспечивается предварительной калибровкой измерительного тракта с использованием калибровочных мер, входящих в состав измерительных приборов. В современных условиях, подобные измерения осуществляются в автоматическом режиме с формированием файлов в определенном формате (модуль и фаза или реальная и мнимая части) и экспортированием этих данных для дальнейшей компьютерной обработки.

На втором этапе, в среде электродинамического моделирования CST MWS, HFSS или иных, осуществляют расчет СВЧ-устройства с расположенным в нем образом при варьируемом значении его комплексной диэлектрической проницаемости и определяют то значение, при котором результаты моделирования предельно близки (например, по минимуму СКО на частотном интервале измерений) к результатам измерений. Для проверки корректности применения среды и правильности введения данных об используемой модели проводятся дополнительные измерения и расчет для установки (СВЧ устройства) без расположенного в ней образца из исследуемого материала или с образцом из материала с известной комплексной диэлектрической проницаемостью. При близости результатов измерений и расчетов судят о приемлемости используемой программы электродинамического моделирования и правильности описания СВЧ-устройства в среде программы.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в измерении параметров диэлектрических материалов;

- для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов.

Изобретение относится к области радиоизмерений параметров диэлектрических материалов на СВЧ, включая относительную диэлектрическую проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь. Сущность: способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости материала в диапазоне СВЧ включает размещение образца из исследуемого материала в СВЧ-устройстве, измерение частотной зависимости коэффициента отражения и/или коэффициента передачи СВЧ-устройства с расположенным в нем образом и обработку результатов измерения, при которой в электродинамической среде моделирования подбирают значения комплексной диэлектрической проницаемости образца так, чтобы расчетные частотные зависимости коэффициента отражения и/или коэффициента передачи минимально отличались от измеренных зависимостей. Дополнительно измеряют и рассчитывают в электродинамической среде моделирования частотную зависимость коэффициента передачи СВЧ-устройства без расположенного в нем образца из исследуемого материала и/или коэффициента передачи СВЧ-устройства с образцом из материала с известной комплексной диэлектрической проницаемостью. По близости результатов измерений и расчетов судят о приемлемости используемой среды электродинамического моделирования и правильности описания в ней СВЧ-устройства. Технический результат: расширение области применения способа как в отношении использования СВЧ устройств различной конфигурации, так и в отношении формы, размеров и параметров измеряемого образца. 1 ил.

Способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости материала в диапазоне СВЧ, включающий размещение образца из исследуемого материала в СВЧ-устройстве, измерение частотной зависимости коэффициента отражения и/или коэффициента передачи СВЧ-устройства с расположенным в нем образом и обработку результатов измерения, при которой в электродинамической среде моделирования подбирают значения комплексной диэлектрической проницаемости образца так, чтобы расчетные частотные зависимости коэффициента отражения и/или коэффициента передачи минимально отличались от измеренных зависимостей, дополнительно измеряют и рассчитывают в электродинамической среде моделирования частотную зависимость коэффициента передачи СВЧ-устройства без расположенного в нем образца из исследуемого материала и/или коэффициента передачи СВЧ-устройства с образцом из материала с известной комплексной диэлектрической проницаемостью, и по близости результатов измерений и расчетов судят о приемлемости используемой среды электродинамического моделирования и правильности описания в ней СВЧ-устройства.