Устройство для измерения спектров диэлектрической проницаемости почв в широкой полосе частот на основе симметричной полосковой линии Российский патент 2024 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к технике измерений в УКВ и СВЧ диапазонах и может использоваться для неразрушающего измерения спектров комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) почв в лабораторных и полевых условиях.

Известны способы измерения КДП с помощью устройств на основе симметричной полосковой линии (СПЛ) в различных частотных диапазонах.

Например, описанный в [Gallagher C. P., N. Cole, P. P. Savage, C. McKeever, J. R. Sambles, and A. P. Hibbins A. Broadband Stripline Technique for Characterizing Relative Permittivity and Permeability // IEEE Trans. Microwave Theory and Techn. 2019. Vol. 67, No. 1, P. 231 – 238. DOI: 10.1109/TMTT.2018.2851563] метод обеспечивает измерение диэлектрических свойств твердых материалов в диапазоне частот от 200 МГц до 50 ГГц с погрешностью до 10%. Расстояние между внешними проводниками полосковой линии составляло 3 мм.

Недостатком данного решения является малое расстояние между внешними проводниками полосковой линии, что не позволяет помещать почвы с крупными размерами почвенных частиц и почвенных агрегатов размером до 8-10 мм, составляющих почвы естественного сложения.

Известен способ, описанный в работе [Lawrence K. C., Funk D. B., Windham W. R. Dielectric moisture sensor for cereal grains and soybeans // Trans. ASAE. 2001. 44(6). 1691–1696. DOI:10.13031/2013.6979] где описана ячейка на основе СПЛ общей длиной 60 см с расстоянием между внешними проводниками 6,2 см и шириной центральной полоски 9 см. Длина переходной части от коаксиального разъема до рабочей области составляла 28,24 см.

В работах [Funk, D. B., Z. Gillay, and P. Meszaros. Unified moisture algorithm for improved RF dielectric grain moisture. Meas. Sci. Tech. 2007. 18: 1004-1015. DOI:10.1088/0957-0233/18/4/007], [Funk D. B., Z. Gillay, Dielectric reference materials for mathematically modeling and standardizing grain moisture meters // Trans. ASABE. 2010. v.53 no.1. pp. 271-281. DOI:10.13031/2013.29492] для увеличения верхней частоты используют ячейки на базе СПЛ с меньшими размерами поперечного сечения: расстояние между внешними электродами составляло 50,8–53,6 мм при ширине полоски 76,2 мм. Переходные области имели длину 63,7 мм, а общая длина ячейки – 230 мм. Измерения диэлектрической проницаемости проводились в диапазоне частот ниже 250 МГц.

Недостатком данных решений является малый диапазон частот: до 250 МГц, что не позволяет измерять спектры диэлектрической проницаемости до частот 5-6 ГГц, где отсутствуют процессы диэлектрической релаксации в почвах и основное влияние на комплексную диэлектрическую проницаемость (КДП) оказывает ориентационная поляризация молекул свободной и связанной воды.

Измеряемый диапазон частот ограничивается сверху возникновением волн высших типов. Первой волной высшего типа является волна Н⁽¹⁾. Критическая длина волны для этого типа (при воздушном заполнении) может быть определена из приближенного выражения (Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств / С.И. Бахарев и др.; Под ред. В.И. Вольмана. – М.: Радио и связь, 1982. – 328 с.):

λ_кр=2w(1+πb/4w),

где w –ширина центральной полоски, b – расстояние между внешними проводниками. При заполнении СПЛ диэлектриком критическая длина волны возрастает пропорционально корню квадратному из действительной части КДП. Таким образом, повышение рабочей частоты требует уменьшения размеров поперечного сечения СПЛ и, в частности, ширины центральной полоски.

Для измерения диэлектрической проницаемости почв, размеры частиц в которых достигают нескольких миллиметров, а размеры почвенных агрегатов могут быть около 1 см, обусловливают применение СПЛ с расстоянием между электродами 10-15 мм (расстоянием между внешними проводниками не менее 20-30 мм). Расчеты показывают, что при воздушном заполнении СПЛ с расстоянием b = 28 мм волновое сопротивление 50 Ом достигается при ширине w = 40,4 мм. При этом критическая длина волны приближенно равна 12,5 см (критическая частота 2,4 ГГц). Кроме того, рабочий диапазон может быть ограничен возникновением паразитных колебаний из-за нерегулярностей в области перехода от коаксиального разъёма к рабочей области.

Наиболее близким техническим решением является устройство для измерения спектров диэлектрической проницаемости почв на основе симметричной полосковой линии (Заявка о выдаче патента РФ на изобретение. Устройство для измерения спектров диэлектрической проницаемости почв на основе симметричной полосковой линии / Бобров П. П., Костычов Ю. А., Кривальцевич С.В. Регистрационный № 2023101249 от 20.01.2023. Получено уведомление о выдаче патента 01.03.2023), в котором задача уменьшения ширины центральной полоски без уменьшения расстояния между внешними электродами решается тем, что переходные части от коаксиального разъема на входе до рабочей области, заполняемой исследуемым диэлектриком, и от рабочей области до выходного разъема заполнены твердым диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε’₁ и малыми потерями. При этом ширина центральной полоски, необходимая для согласования с 50-омным входом ячейки, меньше, чем при воздушном заполнении, меньше также и длина переходной части. Во избежание возникновения дополнительных нерегулярностей в линии ширина полоски одинакова по всей длине ячейки (как в коаксиально-полосковых переходах, так и в рабочей области) и меньше, чем при воздушном заполнении линии с волновым сопротивлением 50 Ом. Возрастание волнового сопротивления в рабочей области в √ε’₁ раз учитывается при расчете КДП исследуемого вещества.

Недостатком указанного устройства является плохое согласование на частотах выше 2,5 ГГц в точках подключения широкой центральной полоски к входному и выходному коаксиальным СВЧ разъемам с малыми диаметрами внешнего и внутреннего проводников.

Технической задачей заявляемого решения является расширение спектра измеряемых частот в сторону увеличения максимальной частоты измеряемых спектров КДП почв. Эта задача решается тем, что устройство на основе симметричной полосковой линии с тонкими токонесущими проводниками, позволяющими обеспечить минимальное воздействие на почву при полевых измерениях, выполнено с возможностью улучшения согласования и выравнивания фронта электромагнитной волны, для чего содержит две переходных части от входной коаксиальной линии до рабочей области и обратно от конца рабочей области до выходной коаксиальной линии, в которых расстояние между внешними электродами СПЛ от коаксиальных СВЧ разъемов на входе и выходе до рабочей области, заполняемой исследуемым диэлектриком, изменяется от минимального расстояния, равного внешнему диаметру СВЧ разъема, до расстояния, равного расстоянию между внешними электродами СПЛ в рабочей области, по линейному закону. При этом для того, чтобы обеспечить волновое сопротивление 50 Ом в каждых сечениях переходных частей ширина центральной полоски определяется из уравнения (Ганстон М.А.Р. Справочник по волновым сопротивлениям фидерных линий СВЧ. Пер. с англ. Под ред. А.З. Фрадина. – М.: Связь, 1976, стр. 47):

(1)

Здесь Z₀=50 Ом – волновое сопротивление подводящей линии;$$x=\frac{1}{1-t/b},$$$$F(x)=\frac{{\left(x+1\right)}^{x+1}}{{\left(x-1\right)}^{x-1}},$$
t – толщина центральной полоски.

Данные, полученные из уравнения (1), имеют точность выше 1% при следующем условии:

w/b ≥ 0,35(1 – t/b).

На фиг. 1 представлен общий вид заявляемого устройства (измерительной ячейки) для измерения спектров диэлектрической проницаемости почв ячейки на базе СПЛ и вид со снятой верхней крышкой. Ячейка содержит корпус 1 с размещенным на нем входным и выходным коаксиальными СВЧ разъемами 2; проводящую центральную полоску 3; в средней части выполнена рабочая область для заполнения исследуемой почвой 4; на концах полосковой линии расположены две переходных части одинаковой длины 5, заполненные твердым диэлектриком, расстояние между внешними электродами которой изменяется от 6 до 28,5 мм. Оптимальная длина участка переходной части, в котором изменяются расстояния между электродами, найдена электродинамическим моделированием методом конечных элементов и составляет l = 0.75b, где b – расстояние между внешними электродами (см. фиг. 2).

На фиг. 2 представлена блок-схема измерительной ячейки.

На фиг. 3 представлен общий вид калибровочной ячейки, содержащей только переходные части, идентичные таковым в измерительной ячейке. Ячейка содержит корпус 1 с размещенным на нем входным и выходным коаксиальными СВЧ разъемами 2; проводящую центральную полоску 3; две переходных части одинаковой длины 4, заполненные твердым диэлектриком, расстояние между внешними электродами которой изменяется от 6 до 28,5 мм.

Измерение КДП ε* =ε' – iε'' исследуемого вещества в диапазоне частот от 25-30 МГц до 8 ГГц производится следующим образом. СВЧ разъемы с помощью кабелей подключаются к разъемам векторного анализатора цепей (использовался Rohde & Schwarz ZNB8). Затем производится калибровка для учета суммарного набега фазы Δϕ_1-3, 4-6 между границами 1–3 и 4–6 (см. фиг. 2). Для этого измеряется комплексный коэффициент передачи (S₁₂) калибровочной ячейки, содержащей только переходные части (см. фиг. 3) с нулевым расстоянием между границами 3–4, и находится частотная зависимость значений Δϕ_1-3, 4-6.

Затем рабочая область измерительной ячейки заполняется исследуемым веществом и измеряется параметр S₁₂ между границами 1–6. Для нахождения параметра S₁₂ между границами 3 и 4 рабочей области из измеренной фазы вычитается суммарный фазовый набег Δϕ_{1-3, 4-6} между границами 1–3 и 4–6. Далее методом минимизации невязки между измеренными и вычисленными значениями параметра S₁₂ находятся ε’ и ε’’.

Расчетное значение параметра S₁₂ между границами 3 и 4 рабочей области с образцом определяется по формуле для диэлектрического слоя:

$$S_{12}=\frac{T_3{T}_4\exp (ikd)}{1-{Г}_3{Г}_4\exp (ikd)}$$ ,

где Т₁, Т₂ – френелевские коэффициенты передачи на границах диэлектрического слоя; Г₁, Г₂ – френелевские коэффициенты отражения на этих границах; $$k\text{ = }\omega \sqrt{\epsilon *}/c$$– волновое число в исследуемом веществе, где ω – циклическая частота, с - скорость электромагнитной волны в вакууме; d – длина рабочей области; i² = –1.

Измерение КДП исследуемого вещества в диапазоне частот от 0,2–1 МГц до 25–30 МГц производится следующим образом. Один из СВЧ разъемов ячеек с помощью кабелей подключается к одному из разъемов векторного анализатора цепей (использовался Rohde & Schwarz ZNB8). Затем измеряются комплексные коэффициенты отражения (S₁₁) калибровочной и пустой измерительной ячеек при осуществлении режима холостого хода на выходных СВЧ разъемах. Учитывая, что на этих частотах ячейки представляют собой сосредоточенные емкости, находим комплексные импедансы ячеек по формуле:

$$Z_i=Z_0\frac{1+S_{11}}{1-S_{11}}$$ ,

где Z₀=50 Ом – волновое сопротивление подводящей линии; Z_i –комплексные импедансы ячеек (подстрочный индекс i = к означает калибровочную ячейку, i = и – измерительную ячейку). Комплексный импеданс пустой рабочей области Z₁ измерительной ячейки определится по формуле:

Z₁ = Z_и – Z_к,

Комплексная проводимость пустой рабочей части ячейки Y₁ может быть представлена в следующем виде:

$$Y_1=\frac{1}{Z_1}=\sigma \frac{C_0}{{\epsilon }_0}+i\omega C_0$$ ,

где σ и C₀ – удельная электропроводность и емкость пустой рабочей области, соответственно; ε₀ = 8,854 ⋅ 10^-12 Ф/м – диэлектрическая постоянная. Удельная электропроводность пустой рабочей области пренебрежимо мала (~ 10^-6 См/м), поэтому из последнего выражения можно найти емкость C₀ рабочей области измерительной ячейки.

Затем рабочая область измерительной ячейки заполняется исследуемым веществом и аналогично определяется комплексная проводимость заполненной ячейки:

$$Y_2={\sigma }_{э}\frac{C_0}{{\epsilon }_0}+i\omega \epsilon \text{'}{C}_0$$ ,

где σ_э = ωε₀ε" – эквивалентная удельная электропроводность исследуемого вещества. Окончательно действительная ε' и мнимая ε" части КДП исследуемого вещества определяются из выражений:

$$\epsilon \text{'}=\frac{\mathrm{Im}\left|Y_2\right|}{\omega C_0}$$ , $$\epsilon "=\frac{\mathrm{Re}\left|Y_2\right|}{\omega {С}_0}$$.

Для проверки заявленного технического решения были проведены экспериментальные измерения КДП калибровочных жидкостей и влажного песка в заявляемой ячейке с переходными частями, заполненными твердым диэлектриком с ε'= 2,05, в которых расстояние между внешними электродами изменяется от 6 до 28,5 мм.

На фиг. 4 приведены результаты измерения в заявляемом устройстве действительной и мнимой частей КДП этилового спирта 95% при температуре 25° С. В диапазоне частот от 0,2 МГц до 6,3 ГГц средние значения отклонений от модельных значений не превышают 1,5 % по ε' и 6 % по ε'', за исключением диапазона частот от 26 до 55 МГц, где отклонения ε'' возрастают до 15 – 60% из-за низких значений ε''.

Здесь и далее сплошные линии – расчет КДП жидкостей по модели Дебая с параметрами, приведенными в работе [Gregory A. P., Clarke R. N. Tables of the complex permittivity of dielectric reference liquids at frequencies up to 5 GHz. /NPL Report MAT 23. Jan. 2012. URL : https://www.semanticscholar.org/paper/Tables-of-the-complex-permittivity-of-dielectric-at-Gregory-Clarke/fb86eac40025c90dd8d9dfaa5a50244869dabab7].

На фиг. 5 приведены результаты измерения в заявляемом устройстве действительной и мнимой частей КДП изопропилового спирта 99,9% при температуре 25°С. В диапазоне частот от 1 МГц до 6,3 ГГц средние значения отклонений от модельных значений не превышают 2,5 % по ε' и 9 % по ε'', за исключением диапазона частот от 160 до 300 МГц, где отклонения ε'' возрастают до 20 %

На фиг. 6 приведены результаты измерения в заявляемом устройстве действительной и мнимой частей КДП мелкозернистого песка, увлажненного слабым солевым раствором до влажности 18,8%.

Преимущество заявленного технического решения заключается в увеличении верхней частоты измеряемого спектра КДП почв с 2,5 до 6,3 ГГц по сравнению с прототипом при таком же расстоянии между внешними электродами в рабочей области.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-27-10037, https://rscf.ru/project/23-27-10037/

Изобретение относится к технике измерений в УКВ и СВЧ диапазонах и может использоваться для неразрушающего измерения спектров комплексной диэлектрической проницаемости почв в полевых условиях. Устройство для измерения спектров диэлектрической проницаемости почв в широкой полосе частот, представляющее собой отрезок симметричной полосковой линии (СПЛ) с тонкими токонесущими проводниками, позволяющими обеспечить минимальное воздействие на почву при полевых измерениях и повысить верхнюю границу измеряемого спектра диэлектрической проницаемости почв, содержащее рабочую область для заполнения исследуемым веществом и две переходных части от входной коаксиальной линии до рабочей области и обратно от конца рабочей области до выходной коаксиальной линии, заполненные твердым диэлектриком, расстояние между внешними электродами СПЛ в переходных частях от коаксиальных СВЧ разъемов на входе и выходе до рабочей области, заполняемой исследуемым диэлектриком, изменяется от минимального расстояния, равного внешнему диаметру СВЧ разъема, до расстояния, равного расстоянию между внешними электродами СПЛ в рабочей области, по линейному закону, при этом соответствующим образом изменяется ширина центральной полоски таким образом, чтобы обеспечить волновое сопротивление, равное сопротивлению 50 Ом генератора в каждых сечениях переходных частей. Техническим результатом является повышение частоты измерения комплексной диэлектрической проницаемости с помощью отрезка симметричной полосковой линии большого поперечного сечения. 6 ил.

Устройство для измерения спектров диэлектрической проницаемости почв в широкой полосе частот, представляющее собой отрезок симметричной полосковой линии (СПЛ) с тонкими токонесущими проводниками, позволяющими обеспечить минимальное воздействие на почву при полевых измерениях и повысить верхнюю границу измеряемого спектра диэлектрической проницаемости почв, содержащее рабочую область для заполнения исследуемым веществом и две переходных части от входной коаксиальной линии до рабочей области и обратно от конца рабочей области до выходной коаксиальной линии, заполненные твердым диэлектриком, отличающееся тем, что расстояние между внешними электродами СПЛ в переходных частях от коаксиальных СВЧ разъемов на входе и выходе до рабочей области, заполняемой исследуемым диэлектриком, изменяется от минимального расстояния, равного внешнему диаметру СВЧ разъема, до расстояния, равного расстоянию между внешними электродами СПЛ в рабочей области, по линейному закону, при этом соответствующим образом изменяется ширина центральной полоски таким образом, чтобы обеспечить волновое сопротивление, равное сопротивлению 50 Ом генератора в каждых сечениях переходных частей.