Устройство для измерения параметров диэлектриков на сверхвысоких частотах Российский патент 2024 года по МПК G01R27/26 G01N22/00 

Изобретение относится к технике измерения относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь материалов в объемном цилиндрическом резонаторе при нормальной температуре.

Известна измерительная ячейка для измерения параметров диэлектриков на сверхвысоких частотах (СВЧ) (RU 24292 U1, G01R 27/26, 27.07.2002), которая содержит термоизолированный герметичный корпус, установленный на нем цилиндрический резонатор, снабженный нагревателем. Верхний торец цилиндра резонатора закрыт неподвижной крышкой, являющейся верхней торцевой стенкой резонатора, связанный с трактом СВЧ. Нижняя торцевая стенка резонатора образована поршнем, установленным на вертикальном штоке, который неподвижно соединен с ходовым винтом механического приводного механизма комбинированного типа, включающего систему «винт - гайка» и шестеренчатую пару.

Недостатком данного устройства является погрешность фиксации поршня в резонансном положении из-за возникающего люфта в винтовом соединении, что напрямую влияет на точность измерения диэлектрических характеристик.

Известно устройство для измерения параметров диэлектриков на СВЧ (SU 1737327 А1, G01R 27/26, 30.05.1992), которое включает цилиндрический резонатор, ограниченный с одной стороны неподвижной торцевой стенкой волновода, а с другой – коротко замыкающим поршнем, на котором расположен образец исследуемого материала, при этом поршень закреплен на штоке, имеющем возможность осевого перемещения. Связующим звеном, обеспечивающим соосное положение волновода, резонатора и механизма осевого перемещения является скоба, обеспечивающая также односторонний доступ к цилиндру резонатора, а затем к поршню для установки образца.

Операция осуществляется вручную и при этом отсутствует фиксация цилиндрической части резонатора в любом заданном положении. Перемещение поршня с образцом в резонансное положение в рассматриваемом устройстве осуществляется винтовым механизмом.

Недостатком рассматриваемого устройства является то, что точность измерения резонансной длины резонатора определяется точностью фиксации положения образца за счет использования винтового механизма. Применяемая в устройстве для измерения диэлектрических характеристик методом вариации длины резонатора обычная винтовая пара из-за неизбежного люфта в резьбе не обеспечивает необходимой точности позиционирования поршня с образцом и в итоге возникают недопустимые погрешности измерения.

Наиболее близким является устройство для измерения параметров диэлектриков на сверхвысоких частотах (RU 2539125 C1, G01R 27/26, 10.01.2015), относящееся к технике измерения диэлектриков методом объемного резонатора при нормальной температуре. Устройство содержит волновод СВЧ, резонатор с цилиндрической частью, ограниченный с одной стороны торцевой стенкой СВЧ, а с другой стороны короткозамыкающим поршнем с возможностью осевого перемещения внутри резонатора, механизм перемещения поршня и блок радиоизмерительного оборудования. При этом волновод СВЧ, цилиндр резонатора и механизм перемещения установлены в едином цилиндрическом корпусе. Цилиндр резонатора установлен внутри корпуса с возможностью осевого перемещения и снабжен зажимами для фиксации в корпусе, а поршень посредством штока закреплен на платформе модуля осевого перемещения с приводом от серводвигателя, совмещенного с измерителем линейного перемещения. Серводвигатель оснащен системой автоматического управления, связанной с радиометрическим блоком фиксации резонаторного положения поршня.

Недостатком указанного устройства является необходимость обеспечения высокоточного взаимного осевого перемещения поршня на штоке и цилиндра резонатора при настройке резонатора, что должно выполняться на всей длине перемещения поршня относительно цилиндра резонатора, но в представленном устройстве это невозможно выполнить технически, поэтому зазоры между поршнем и стенками резонатора изменяются и падает добротность резонансных колебаний.

Техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение точности измерений диэлектрических характеристик исследуемых материалов за счет увеличения добротности резонатора.

Указанный технический результат достигается тем, что предложено устройство для измерения параметров диэлектриков на сверхвысоких частотах, включающее волноводный ввод в виде волновода СВЧ, резонатор с цилиндрической частью, ограниченный с одной стороны торцевой стенкой волновода СВЧ, а с другой – подвижным поршнем, при этом цилиндр резонатора установлен внутри корпуса с возможностью осевого перемещения и снабжен зажимами для фиксации в корпусе, причем поршень посредством штока закреплен на платформе модуля осевого перемещения, совмещенного с датчиком линейного перемещения поршня, отличающееся тем, что поршень имеет диаметр, равный внешнему диаметру цилиндра резонатора.

На фигуре представлен общий вид заявляемого устройства: 1 – корпус, 2 – волновод СВЧ, 3 – верхняя торцевая стенка резонатора с отверстиями связи, 4 – цилиндрический резонатор, 5 – зажимы, 6 – подвижный поршень, 7 – шток для крепления поршня, 8 – модуль перемещения поршня с датчиком осевого линейного перемещения, 9 – образец исследуемого материала.

Конструкция устройства для измерения параметров диэлектриков включает корпус 1, в верхней части корпуса размещен волновод СВЧ 2, выполненный заодно с верхней торцевой стенкой резонатора с отверстиями связи 3. Внутри корпуса 1 с минимальным зазором (до 0,01 мм) установлен цилиндрический медный резонатор 4. Зажимы 5 фиксируют резонатор 4 в продольных пазах корпуса. Поршень 6 соединен со штоком 7, который неподвижно закреплен на платформе модуля осевого перемещения 8. Микрометрический отсчет перемещения поршня 6 с образцом 9 обеспечивает линейный измеритель расстояния (на фигуре не показан), имеющий разрешение до 0,1 мкм и неподвижно закрепленный на платформе модуля осевого перемещения 8. Поршень 6 имеет диаметр равный внешнему диаметру цилиндрического резонатора 4, что обеспечивает отсутствие зазоров между поршнем и стенками цилиндра резонатора при одновременном перемещении поршня и цилиндрического резонатора, когда происходит настройка резонатора в резонанс.

Устройство для измерения параметров диэлектриков работает следующим образом.

При измерении резонатора 4 без образца зажимы 5 ослабляются, и цилиндр резонатора 4 без образца относительно корпуса 1 опускается на поршень 6. Затем с помощью модуля осевого перемещения 8 шток 7 и поршень 6 с цилиндром резонатора 4 перемещаются вверх относительно торцевой стенки волновода СВЧ 2 до настройки резонатора 4 в резонанс, и записывается начальная длина осевого положения поршня 6 и добротность резонатора 4 без образца. Затем цилиндр резонатора 4 фиксируется зажимами 5 относительно корпуса 1 так, чтобы поршень 6 оказался ниже нижней границы цилиндра резонатора 4, и на поршень 6 укладывается образец испытуемого материала 9. Затем зажим 5 ослабляется, и цилиндр резонатора 4 опускается на поршень 6 с образцом 9. С помощью модуля осевого перемещения 8 шток 7 и поршень 6 с цилиндром резонатора 4 перемещаются вверх относительно торцевой стенки волновода СВЧ 2 до настройки резонатора 4 в резонанс. Далее фиксируется новое положение поршня 6, и измеряется добротность для резонатора 4 с образцом 9. По изменению положения поршня 6 пустого резонатора 4 и резонатора 4 с образцом 9 определяется диэлектрическая проницаемость, а по изменению добротности определяется тангенс угла диэлектрических потерь. Посредством зажимов 5 цилиндр резонатора 4 фиксируется относительно корпуса 1. Затем поршень 6 с образцом 9 опускается ниже нижней границы цилиндра резонатора 4 и образец 9 извлекается из резонатора 4.

Заявляемая конструкция устройства для измерения параметров диэлектриков отличается от известных аналогов более высокой точностью измерений добротности резонатора и повышенной точностью определения диэлектрических параметров образца испытуемого материала.

Изобретение относится к технике измерения относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь материалов в объемном цилиндрическом резонаторе при нормальной температуре. Устройство для измерения параметров диэлектриков на сверхвысоких частотах, включающее волноводный ввод в виде волновода СВЧ, резонатор с цилиндрической частью, ограниченный с одной стороны торцевой стенкой волновода СВЧ, а с другой - подвижным поршнем. При этом цилиндр резонатора установлен внутри корпуса с возможностью осевого перемещения и снабжен зажимами для фиксации в корпусе, причем поршень посредством штока закреплен на платформе модуля осевого перемещения, совмещенного с датчиком линейного перемещения поршня. Поршень имеет диаметр, равный внешнему диаметру цилиндра резонатора. Технический результат - повышение точности измерений диэлектрических характеристик исследуемых материалов за счет увеличения добротности резонатора. 1 ил.

Устройство для измерения параметров диэлектриков на сверхвысоких частотах, включающее волноводный ввод в виде волновода СВЧ, резонатор с цилиндрической частью, ограниченный с одной стороны торцевой стенкой волновода СВЧ, а с другой - подвижным поршнем, при этом цилиндр резонатора установлен внутри корпуса с возможностью осевого перемещения и снабжен зажимами для фиксации в корпусе, причем поршень посредством штока закреплен на платформе модуля осевого перемещения, совмещенного с датчиком линейного перемещения поршня, отличающееся тем, что поршень имеет диаметр, равный внешнему диаметру цилиндрического резонатора.