Зонд для измерения диэлектрической проницаемости диэлектрических пластин методом СВЧ-спектроскопии Российский патент 2023 года по МПК G01R1/67 

Предлагаемая конструкция относится к измерительной технике и может быть использована в электронной промышленности при измерении диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь диэлектрических пластин.

Из существующего уровня техники известны способ и устройство измерительного зонда (Zheng H., Smith C. E. Permittivity measurements using a short open-ended coaxial line probe //IEEE Microwave and Guided Wave Letters. – 1991. – Т. 1. – №. 11. – С. 337-339.), предназначенного для измерения диэлектрической проницаемости диэлектрических пластин методом ближнепольной СВЧ-спектроскопии. Зонд представляет собой длинную коаксиальную линию с открытым с одной стороны концом. При измерении параметров материалов зонд накладывается открытым концом на исследуемый образец. Второй конец коаксиальной линии присоединяется к измерительному устройству, например, к векторному анализатору цепей. Устройство использует в основе своей работы тот факт, что поле электромагнитной волны из открытого конца коаксиальной линии проникает во внешнюю среду. Данное поле может взаимодействовать с поднесенными к коаксиальной линии объектами и менять фазу и величину коэффициента отражения от конца коаксиальной линии передачи. При исследовании измерительным устройством изменяются величина и модуль коэффициента отражения от конца коаксиальной линии передачи. На основе измеренных величин изменения модуля и фазы коэффициента отражения определяется диэлектрическая проницаемость исследуемого образца.

Достоинством данного устройства измерительного зонда является то, что при его помощи можно определять диэлектрическую проницаемость измеряемых материалов, например, диэлектрических пластин не разрушающим методом СВЧ-спектроскопии. Для использования данного метода не требуется предварительное изготовление образцов заданного размера. Данные факты определили использование данного метода в технике неразрушающего контроля параметров материалов (см., например, измерительный зонд производства Keysight № 85070E).

Описанный способ и устройство измерения проницаемости материала имеют следующие недостатки. Способ имеет среднюю чувствительность и предъявляет дополнительные требования по чувствительности используемого оборудования. Данный факт проистекает из необходимости точного измерения комплексного коэффициента отражения от конца коаксиальной линии передачи.

Из существующих публикаций известны способ и устройство измерительного зонда (Xu D., Liu L., Jiang Z. Measurement of the dielectric properties of biological substances using an improved open-ended coaxial line resonator method //IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. – 1987. – Т. 35. – №. 12. – С. 1424-1428.), предназначенного для измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь диэлектрических пластин методом ближнепольной СВЧ-спектроскопии. Измерительный зонд представляет собой полуволновый коаксиальный сверхвысокочастотный резонатор, один из концов которого соединен с подводящей коаксиальной линией, а второй конец резонатора является открытым. Конец подводящей коаксиальной линии присоединяется к измерительному устройству, например, к векторному анализатору цепей. Устройство использует в основе своей работы тот факт, что поле электромагнитной волны из открытого конца коаксиальной линии проникает во внешнюю среду. Данное поле может взаимодействовать с поднесенными к коаксиальной линии объектами и менять фазу и величину коэффициента отражения от конца полуволнового коаксиального резонатора. Изменение величины и фазы коэффициента отражения от открытого конца резонатора приводит к сдвигу резонансной частоты полуволнового коаксиального резонатора и изменению его добротности. При исследовании образца измерительным устройством регистрируются изменение частотного положения резонансных частот резонатора и изменение добротности. На основе измеренных изменений резонансной частоты и добротности возможен расчет таких параметров диэлектрических пластин, как диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь.

Достоинством данного устройства измерительного зонда является то, что при его помощи возможно определять диэлектрическую проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь измеряемых материалов, например, диэлектрических пластин не разрушающим методом СВЧ-спектроскопии. Для использования данного метода не требуется предварительное изготовление образцов заданного размера.

Описанная конструкция измерительного зонда имеет недостаток, ограничивающий возможности применения зонда для исследования параметров диэлектрических материалов, проистекающий из размеров измерительного зонда, размеры которого привязаны к длине волны в коаксиальной линии передачи, при этом размеры резонатора должны быть кратны половине длины волны на рабочей частоте измерительного зонда.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому зонду для исследования диэлектрических свойств диэлектрических материалов является сверхвысокочастотный зонд, описанный в (Гордиенко Ю.Е., Петров В.В., Полетаев Д.А. Свойства четвертьволнового коаксиального СВЧ измерительного преобразователя для диагностики материалов. – 2008.), предназначенный для измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь диэлектрических пластин методом ближнепольной СВЧ-спектроскопии.

Измерительный зонд представляет собой четвертьволновый коаксиальный сверхвысокочастотный резонатор на основе коаксиальной линии передачи с воздушным заполнением, образованной однородными по всей длине центральной жилой и металлическим экраном, с воздушным заполнением с открытым концом с одной стороны и короткозамкнутым с другой. В конструкции зонда имеются два порта, предназначенные для ввода и вывода сверхвысокочастотного сигнала, которые присоединяются к измерительному устройству. Устройство использует в основе своей работы тот факт, что поле электромагнитной волны из открытого конца коаксиальной линии проникает во внешнюю среду. Данное поле может взаимодействовать с поднесенными к коаксиальной линии объектами и менять фазу и величину коэффициента отражения от конца коаксиального резонатора. Изменение величины и фазы коэффициента отражения от открытого конца резонатора приводит к сдвигу резонансной частоты четвертьволнового коаксиального резонатора и изменению его добротности. При исследовании образца измерительным устройством, например векторным анализатором цепей, регистрируются изменения частотного положения резонансных частот резонатора и изменение добротности. Данный зонд подходит для измерения таких параметров диэлектрических пластин, как диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь.

Принцип работы данного устройства следующий. Центральный проводник коаксиального четвертьволнового резонатора соприкасается с исследуемым образцом и нагружается на исследуемый материал. Как результат, происходит изменение комплексного коэффициента отражения и происходит изменение резонансной частоты и добротности резонатора. По величине изменения добротности резонатора и величине сдвига резонансной кривой можно определить диэлектрическую проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь диэлектрической пластины. Для максимальной чувствительности зонда используется четвертьволновый коаксиальный резонатор с воздушным заполнением (см. (Stuchly M. A., Stuchly S. S. Coaxial line reflection methods for measuring dielectric properties of biological substances at radio and microwave frequencies-A review //IEEE Transactions on instrumentation and measurement. – 1980. – Т. 29. – №. 3. – С. 176-183.) и ссылки в ней).

Описанная конструкция выигрывает по сравнению с другими способами исследования диэлектрических параметров диэлектрических пластин, поскольку обладает хорошей чувствительностью (до 10^-3 отн. ед. диэлектрической проницаемости), для проведения измерения не требуется изготовление образцов исследуемого материала заданной геометрии, а само измерение при помощи описанного измерительного зонда является неразрушающим.

Данная известная конструкция прототипа имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что минимальная длина четвертьволнового резонатора определяется частотой, на которой проводится измерение диэлектрической проницаемости материала. В случае диэлектрического заполнения резонатора длина резонатора определяется как $$L_{резонатора}=\raisebox{1ex}{$С$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$4f$}\right.$$, где $$С$$ – скорость света, $$f$$ – частота, на которой проводится измерение. Данный факт ограничивает применение описанного измерительного зонда при измерении параметров материалов на низких частотах или в измерительных системах, где размеры зонда являются критичными.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является создание измерительного зонда ячейки на основе четвертьволнового коаксиального резонатора с воздушным заполнением, пригодного для измерения диэлектрической проницаемости диэлектрических пластин с уменьшенной рабочей частотой.

Предлагаемая конструкция зонда для измерения диэлектрической проницаемости диэлектрических пластин методом СВЧ-спектроскопии представляет собой четвертьволновый коаксиальный сверхвысокочастотный резонатор на основе коаксиальной линии передачи, образованной центральной жилой и металлическим экраном, с воздушным заполнением с открытым концом с одной стороны и короткозамкнутым с другой, имеющий два порта, предназначенных для ввода и вывода сверхвысокочастотного сигнала при измерении параметров диэлектрической пластины, отличающаяся тем, что внутри резонатора находится пространственно-периодическая структура, сформированная периодически расположенными вдоль резонатора металлическими дисками с отверстием по центру, имеющими внешний радиус, равный внутреннему радиусу экрана коаксиального резонатора, и с радиусом отверстия, превышающим радиус центральной жилы.

Технический результат заключается в создании возможности уменьшения рабочей частоты измерительного зонда при сохранении размеров. Данный результат достигается за счет того, что в качестве измерительного зонда используется четвертьволновый резонатор, выполненный в виде отрезка коаксиальной линии передачи, внутри которой находится пространственно-периодическая структура, сформированная периодически расположенными вдоль резонатора металлическими дисками с отверстием по центру, имеющими внешний радиус, равный внутреннему радиусу экрана коаксиального резонатора, и с радиусом отверстия, превышающим радиус центральной жилы.

Изобретение иллюстрируется чертежами. На Фиг. 1 приведена конструкция измерительной ячейки. На Фиг. 2 представлены коэффициент передачи и фазовый набег однородной и пространственно-периодической коаксиальных структур одинаковой длины. На Фиг. 3 представлены передаточные характеристики сравниваемых четвертьволновых резонаторов, полученные путем электродинамического моделирования при различных параметрах исследуемых диэлектрических пластин. На Фиг. 4 представлен пример зависимости резонансных частот зонда от соотношения внутренних радиусов экранов на различных участках периодической структуры.

Измерительный зонд представляет собой четвертьволновый резонатор, выполненный в виде отрезка коаксиальной линии передачи, состоящий из полого металлического цилиндра 1 с внутренним радиусом R₁, выполняющий роль экрана, и внутренней жилы в виде металлического цилиндра 2. Один из концов коаксиального резонатора является короткозамкнутым 3, второй является открытым 4. В конструкции присутствуют порты для ввода/вывода сверхвысокочастотного сигнала 5. Внутри резонатора находится пространственно-периодическая структура, сформированная металлическими дисками 6 с отверстием по центру, имеющая внешний радиус, равный R₁, и радиус отверстия R₂ превышающим радиус центральной жилы. При измерении открытый конец и центральная жила коаксиального резонатора касаются диэлектрического образца пластины 7, которая, в частном случае, может быть металлизирована с обратной стороны 8. Диэлектрическая пластина при приложении к открытому концу коаксиальной линии передачи изменяет коэффициент отражения. Данный факт известен и описан в литературе (см. (Stuchly M. A., Stuchly S. S. Coaxial line reflection methods for measuring dielectric properties of biological substances at radio and microwave frequencies-A review //IEEE Transactions on instrumentation and measurement. – 1980. – Т. 29. – №. 3. – С. 176-183.) и ссылки в ней). Изменение комплексного коэффициента отражения $${\Gamma }_{о}\left(\omega \right)=\left|{\Gamma }_{о}\left(\omega \right)\right|e^{i{\phi }_o\left(\omega \right)}$$ (здесь $$\left|{\Gamma }_{о}\left(\omega \right)\right|$$ и $${\phi }_{о}\left(\omega \right)$$ модуль и фаза коэффициента отражения от открытого конца волновода приводит к двум эффектам.

Первым эффектом, возникающим за счёт изменения фазы коэффициента отражения, является изменение резонансной частоты, определяемой условием баланса фаз: $$2{\phi }_{коакслин}\left(\omega \right)+{\phi }_{кз}\left(\omega \right)+{\phi }_{о}\left(\omega \right)=2\pi n$$, где $${\phi }_{о}\left(\omega \right)$$ – фаза коэффициента отражения от открытого конца волновода, $${\phi }_{кз}\left(\omega \right)$$ – фаза коэффициента отражения от короткозамкнутого конца волновода, $${\phi }_{коакслин}\left(\omega \right)=\beta \left(\omega \right)L$$ – фазовый набег в коаксиальной линии передачи, на основе которой создан резонатор, $$\beta \left(\omega \right)=\raisebox{1ex}{$2\pi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\lambda }_{В}$}\right.$$ – волновое число волны в коаксиальном резонаторе ($${\lambda }_{В}$$ – длина волны в коаксиальном резонаторе), $$L$$ – длина резонатора, n – целое число. Вторым эффектом, проистекающим из изменения величины модуля коэффициента отражения $$\left|{\Gamma }_{о}\left(\omega \right)\right|$$, является изменение добротности резонатора.

В предлагаемой конструкции используется тот факт, что в конечной периодической структуре возникают полосы заграждения на частотах, соответствующих частотам Брэгговских резонансов, где выполняется условие $$T=\frac{{\lambda }_{В}n}{2}$$ (T – период периодической структуры). Наличие полос заграждения в спектре ведет к изменению фазочастотной характеристики. В предлагаемой конструкции используются искажения, вызываемые пространственной периодичностью структуры для увеличения фазового набега внутри резонатора на основе коаксиальной линии.

На Фиг. 2(а) изображены коэффициенты передачи для однородной коаксиальной линии (сплошная линия) и пространственно-периодической структуры (пунктирная линия) равной длины, полученные методом схемотехнического моделирования. При моделировании были использованы следующие параметры: тип линии – коаксиальная линия передачи, заполнение воздушное, длина линии составляла 75 мм, волновые сопротивления различных участков без диска и с диском составляли 50 и 10 Ом (внутренние радиусы R₁ и R₂ составили 6 и 3.1 мм), толщина дисков составляла 4 мм, период периодической структуры составлял 11 мм. Видно образование основной и вторичных полос заграждения на передаточной характеристике. На Фиг. 2(б) приведены значения фазовых набегов $${\phi }_{коакслин}\left(\omega \right)$$ для тех же самых структур. Видно, что наличие периодического изменения волнового сопротивления внутри коаксиальной линии передачи приводит к неоднородному изменению фазочастотной характеристики. Так, на частотах, лежащих ниже полосы заграждения, величина приобретаемого фазового набега будет выше, чем в однородной коаксиальной линии передачи. На частотах выше полосы заграждения величина фазового набега периодической структуры будет меньше, чем для однородной структуры. В описываемой конструкции предлагается использовать увеличение фазового набега на частотах ниже полосы заграждения с целью сдвига вниз резонансной частоты резонатора для получения резонатора, работающего на более низких частотах при тех же самых размерах.

Для проверки работоспособности предложенной конструкции было проведено электродинамическое моделирование измерительных зондов, полученных из однородной и периодической коаксиальных структур. При моделировании резонаторы были нагружены на диэлектрическую пластину, металлизированную с обратной стороны.

На Фиг. 3 (а), (б) и (в) приведены передаточные характеристики четвертьволновых измерительных зондов, рассчитанные на основе однородной (сплошная линия) и периодической (пунктирная линия) коаксиальных структур.

При расчете были использованы следующие параметры: длина резонатора – 75 мм; период структуры – 11 мм, радиус центральной жилы 2.6 мм, внутренний радиус экрана коаксиальной линии R₁ с волновым сопротивлением 50 Ом составил 6 мм, внутренний радиус отверстия в диске R₂ для создания участка с волновым сопротивлением 10 Ом – 3.1 мм. Длина участков с волновым сопротивлением 50 Ом составляла 7 мм, толщина дисков составила – 4 мм.

Описанный измерительный зонд может быть изготовлен на текущем этапе развития техники в виде полого цилиндра из металла толщиной несколько миллиметров c внутренним радиусом R₁, закрытого с одной стороны сплошной стенкой, центральная жила может быть прикреплена к сплошной стенке с закрытого края резонатора. Пространственно-периодическая структура внутри резонатора может быть сформирована металлическими дисками с отверстием радиусом R₂ по центру. Диски могут быть закреплены внутри резонатора различными способами, например при помощи винтов, проходящих через стенку цилиндра и заходящих внутрь металлического диска. Входной и выходной порты могут быть сформированы при помощи стандартных высокочастотных разъемов, подсоединенных к отверстиям в корпусе цилиндрического резонатора.

Фиг. 3 (а) показывает коэффициент передачи измерительных зондов без приложенных диэлектрических пластин. Нижняя резонансная частота измерительного зонда на основе однородной линии передачи составила 945 МГц, резонансная частота зонда на основе пространственно-периодической линии передачи составила 682 МГц. Иными словами, использование зонда на основе периодической структуры позволило уменьшить резонансную частоту в 1,38 раза. На Фиг. 3 (б) и (в) приведены передаточные характеристики зондов, касающихся диэлектрической пластины, металлизированной с обратной стороны. Диэлектрическая проницаемость пластины составляла 1 и 5 соответственно для Фиг. 3 (б) и (в).

Из полученных зависимостей видно, что наличие периодической структуры внутри коаксиального резонатора позволило уменьшить на треть значения резонансных частот. Из сопоставления графиков на Фиг. 3 (б) и (в) можно заметить, что чувствительность измерительного зонда $$\frac{\Delta f_{резонанса}}{\Delta \epsilon \cdot f_0}$$ составила 0,053 и 0,056 1/отн.ед. для зондов на основе однородной и периодической структур соответственно ($$\Delta f_{резонанса}$$ – сдвиг резонансной частоты зонда при изменении диэлектрической проницаемости на $$\Delta \epsilon$$, $$f_0$$ – исходная резонансная частота). Иными словами, периодическая структура сохранила чувствительность однородной структуры.

На Фиг. 4 приведены зависимости значений двух первых резонансных частот четвертьволнового резонатора на основе пространственно-периодической линии передачи, в зависимости от отношения радиусов внутреннего экрана на различных участках структуры R₂/R₁, полученного методом схемотехнического моделирования. Видно, что уменьшение R₂ ведет к сдвигу резонансных частот вниз по частоте.

Таким образом, возможно уменьшение рабочей частоты измерительного зонда для исследования диэлектрических параметров диэлектрических пластин методом СВЧ-спектроскопии за счет создания внутри четвертьволнового коаксиального резонатора пространственно-периодической структуры.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в электронной промышленности при измерении диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь диэлектрических пластин. Измерительный зонд выполнен в виде четвертьволнового резонатора, представляющего собой отрезок коаксиальной линии передачи, состоящий из полого металлического цилиндра 1 с внутренним радиусом R₁, выполняющий роль экрана, и внутренней жилы в виде металлического цилиндра 2. Один из концов коаксиального резонатора является короткозамкнутым 3, второй является открытым 4. В конструкции присутствуют порты для ввода/вывода сверхвысокочастотного сигнала 5. Внутри резонатора находится пространственно-периодическая структура, сформированная металлическими дисками 6 с отверстием по центру, имеющая внешний радиус, равный R₁, и радиус отверстия R₂ превышающим радиус центральной жилы. При измерении открытый конец и центральная жила коаксиального резонатора касаются диэлектрического образца пластины 7, которая, в частном случае, может быть металлизирована с обратной стороны 8. Технический результат - уменьшение рабочей частоты измерительного зонда при сохранении размеров. 4 ил.

Зонд для измерения диэлектрической проницаемости диэлектрических пластин методом СВЧ-спектроскопии, представляющий собой четвертьволновый коаксиальный сверхвысокочастотный резонатор на основе коаксиальной линии передачи, образованный центральной жилой и металлическим экраном, с воздушным заполнением с открытым концом с одной стороны и короткозамкнутым с другой, имеющий два порта, предназначенных для ввода и вывода сверхвысокочастотного сигнала при измерении параметров диэлектрической пластины, отличающийся тем, что внутри резонатора находится пространственно-периодическая структура, сформированная периодически расположенными вдоль резонатора металлическими дисками с отверстием по центру, имеющими внешний радиус, равный внутреннему радиусу экрана коаксиального резонатора, и с радиусом отверстия, превышающим радиус центральной жилы.