Устройство для неразрушающего измерения на СВЧ комплексной диэлектрической проницаемости материала диэлектрических пластин Российский патент 2024 года по МПК G01R27/26 

Известен способ и соответствующие устройства определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь материалов, т.е. КДП, основанные на измерении резонансной частоты и добротности резонатора с помещенным в него образцом материала. Информация о диэлектрической проницаемости содержится в резонансной частоте, а о тангенсе угла диэлектрических потерь - в добротности резонатора [см. Брант А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз, 1963. - Стр.120; «Основы измерения диэлектрических свойств материалов. Заметки по применению» компании Agilent Technologies, стр. 25-27; RU 2247399 C1; RU 2247400 C1; RU 2199760, Б.И. №6, 2003 г.].

Резонансный способ и соответствующие устройства обеспечивают высокую точность измерения КДП, однако требуют изготовления из испытуемого материала образцов специальной геометрии и определенных размеров и позволяют получать информацию только на частоте, определяемой геометрией резонатора.

Известен способ и соответствующие устройства неразрушающего контроля диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь испытуемых пластин, основанный на измерении модулей и фаз коэффициентов отражения и передачи электромагнитных волн, отраженной и прошедшей через пластину, помещенную в свободном пространстве между передающей и приемной антеннами. Фазы коэффициентов содержат информацию о диэлектрической проницаемости, а модули - о тангенсе угла диэлектрических потерь [см. Брант А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз, 1963; «Основы измерения диэлектрических свойств материалов. Заметки по применению» компании Agilent Technologies, стр. 21-24; D.K. Ghodgaonkar, V.V. Varadanand, 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; RU2284533C1.

Недостатком таких устройства является низкая точность измерений из-за сравнительно слабой зависимости фаз и модулей коэффициентов отражения и передачи от КДП пластины.

Известен способ определения КДП материала, основанный на измерении модулей и фаз коэффициентов отражения и передачи фидерной линии (волновода или жесткого коаксиала) с размещенными в них вставками из испытуемого материала. Фазы коэффициентов передачи и отражения содержат информацию о диэлектрической проницаемости, а модули - о тангенсе угла диэлектрических потерь [см. Брант А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз, 1963. - Стр.192; RU 2199760 C2].

Недостатком данного способа является не только низкая точность определения КДП из-за сравнительно малой чувствительности коэффициентов отражения и

передачи к значению КДП, но и необходимость изготовления из испытуемого материала заготовок, соответствующих поперечному сечению волновода или коаксиала.

Прототипом предлагаемого устройства является устройство для измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь материалов, описанное в публикации «Основы измерения диэлектрических свойств материалов. Заметки по применению» компании Agilent Technologies, стр.20-22, и с некими вариациями реализованное в ряде патентов, например, RU 2199760. Это устройство содержит отрезок коаксиальной линии или волновода с возможностью размещения в нем испытуемого образца, и устройство для измерения коэффициента отражения и коэффициента передачи.

Однако, необходимость изготовления образцов из испытуемого материала, соответствующих поперечным сечениям коаксиальной линии или волновода, и невысокая точность измерения диэлектрических потерь малого уровня составляют основные недостатки прототипа.

В предлагаемом устройстве указанные недостатки устраняются за счет измерений с цельной пластиной и обеспечения точности, свойственной измерениям в фидерном тракте или резонаторах. Технический результат заявляемого изобретения состоит в обеспечении неразрушающего контроля КДП пластины с возможностью оценки однородности этих параметров вдоль пластины.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства.

На фиг. 2 представлены несколько вариантов топологии полоска измерительного СВЧ-модуля.

На фиг. 3 представлены годографы (модуль и фаза в полярной системе координат) частотных зависимостей коэффициента отражения при изменении параметров (ε' и tgδ), полученные в среде CST при моделировании диэлектрической пластины, конфигурация которой представлена на фиг. 1в.

На фиг. 4 показаны 3D виды СВЧ-модуля с полосковой линией конфигурации по фиг. 1в в двух вариантах исполнения: а) без диэлектрической пластины4 б) выполненной на нижней стороне диэлектрической пластины.

Рассмотрим особенности предлагаемого устройства, которые обусловливают достижение указанного выше технического результата.

Как и в прототипе, оно содержит СВЧ-модуль в виде участка фидерной линии, векторный измеритель сигналов и компьютер для оценки КДП материала испытуемой пластины в итоге обработки измеренной частотной зависимости коэффициента отражения.

Однако, в отличие от прототипа СВЧ-модуль выполнен в виде коротко замкнутого на конце отрезка несимметричной полосковой линии без диэлектрика с возможностью введения испытуемой диэлектрической пластины под полосок, данные от измерителя частотной зависимости коэффициента отражения импортируются в компьютер, где осуществляется высоко точное моделирование СВЧ-устройства с введенной под полосок испытуемой пластиной. При моделировании варьируется КДП пластины до наилучшего соответствия результатам измерений.

В зависимости от типа материала, из которого сделана испытуемая пластина, полосок СВЧ-модуля может иметь разную конфигурацию. В частности, при значительных потерях этого материала и достаточно большой ширине пластины, при которых затухание на соответствующем отрезке полоска составляет заметную величину (скажем, не менее 10%), полосок может быть прямым отрезком (фиг. 2а). Если потери не столь велики и/или ширина пластины недостаточна, полосок может иметь змеевидную конфигурацию (фиг. 2б).

Для измерения параметров материала с малыми потерями необходимо обеспечить обостренную частотную зависимость, свойственную резонансным структурам. В простейшем варианте это может быть полосковая структура с неоднородностями (фиг. 2в) или со шлейфами, образующими резонатор (фиг. 2г).

Естественно, возможности усложнения конфигурации полоска при сохранении необходимой жесткости значительно расширяются, если в соответствии с п. 4 формулы изобретения полосок выполнен (напылением, травлением или иным образом закреплен) на нижней стороне несущей пластины (фиг. 3). В частности, становятся доступными разрывы и разомкнутые на конце шлейфы, двухпроводные участки со щелевой связью и т. п.

Наконец заметим, что если конструкция СВЧ-модуля обеспечивает не только размещение испытуемой пластины под полоском (в частности, не обязательно заполняя зазор между полоском и земляной плоскостью), но и возможность сдвига пластины вдоль ее продольной оси, то по стабильности результатов измерений можно судить об однородности свойств материала пластины.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

Осуществимость предлагаемого устройства очевидна: во-первых, конструкция СВЧ-модуля проста; во-вторых, существуют среды высоко точного электродинамического моделирования СВЧ-устройств, включая полосковые конструкции, такие, например, как CST Microwave office, HFSS и т.п. [Сиркели А.И., Драч В.Е., Обзор САПР моделирования СВЧ-устройств. // Интерактивная наука 11, 2017, С. 139-140.], во-третьих, известны универсальные численные методы много параметрической оптимизации [Черноруцкий, И.Г. Методы оптимизации в теории управления / И. Г. Черноруцкий. - СПб.: Питер, 2004. - 256 с.]. В частности, алгоритм метода покоординатного спуска детально изложен не только в книге [Алексеева Е. В., Кутненко О. А., Плясунов А. В. Численные методы оптимизации: Учеб. пособие / Новосиб. ун-т. Новосибирск, 2008, стр. 20-22], но даже в Википедии [https://ru.wikipedia.org/wiki/Координатный_спуск].

Достижимость технического результата тоже не вызывают сомнения. Для иллюстрации этого были выполнены численные эксперименты, результаты которых в виде частотных годографов коэффициента отражения Ṡ₁₁((f, ε', ε'') в полярных системах координат представлены на фиг. 3. Полосковая линия СВЧ-модуля состояла из двух отрезков разной ширины, как показано на фиг.2в.

Годографы на фиг. 3а) - 3в) даны для tgδ= 0,0003 и соответствуют отклонению номинального значения ε' на относительно малую величину ±0,1. Годографы на фиг. 3г) - 3е) даны для ε' = 2,1 и соответствуют отклонению номинального значения tgδ = 0,01 (а вместе с ним и ε''= ε'tgδ) на относительно малые величины -0,005 и 0.01. Эти результаты наглядно подтверждают чувствительность расчетной зависимости S₁₁(f, ε', ε'') СВЧ-модуля к изменению комплексной диэлектрической проницаемости пластины, что, собственно говоря, и обеспечивает «спуск» к истинным значениям ε' и ε''= ε'tgδ в процессе алгоритмической минимизации отклонения σ²(ε', ε'') = ||S_изм(f) - S₁₁(f, ε', ε'')||² = расчетной зависимости от измеренной S_изм(f) при испытуемой диэлектрической пластине, введенной под полосок СВЧ-модуля.

Программный модуль варьирования пробных значений комплексной диэлектрической проницаемости реализует один из известных универсальных алгоритмов. Например, при контроле технологических отклонений КДП пластины от номинальных значений возможен полный перебор комбинаций значений для {ε', ε''} с достаточно мелкими дискретами {dε', dε''} в диапазоне их возможных отклонений. Это может быть алгоритм циклического покоординатного спуска [стр. 20-22 в книге: Алексеева Е. В., Кутненко О. А., Плясунов А. В. Численные методы оптимизации: Учеб. пособие / Новосиб. ун-т. Новосибирск, 2008. 128 с.], когда варьируется переменная ε' и определяется локальный минимум, затем при найденном значении ε' варьируется ε'' и определяется новый локальный минимум, затем эти циклы повторяются до тех пор, пока найденное минимальное значение перестает уменьшаться. Известно, что для сокращения времени счета сначала переменные ε' и ε'' варьируются с относительно грубыми дискретами ∆ε', ∆ε'', а затем с мелкими дискретами dε', dε'' вокруг найденного значения {ε', ε''} в пределах области грубых дискретов.

Естественно, чувствительность определяется остротой локального минимума СВЧ-модуля и, соответственно, точность измерения комплексной проницаемости диэлектрической пластины во многом определяется конфигурацией полосковой линии, а именно, наличием резонирующих структур. При относительно простой конфигурации полоска, использованной в расчетном примере и представленной на фиг. 2в и фиг. 4а, коэффициент отражения S₁₁(f, ε', ε'') существенно резче изменяется при варьировании ε', чем ε''. Это проявляется и в поведении годографов, показанных на фиг. 4, и в соответствующих значениях минимизируемого критерия σ²(ε', ε''), приведенных в подрисуночных подписях фиг. 4.

Возможности реализации резонирующих структур значительно расширяются, если полосковая линия выполнена/зафиксирована на нижней стороне несущей диэлектрической пластины (см. фиг. 4б) в соответствии с п.4 формулы изобретения. При этом становится возможным строить резонаторы с использованием разомкнутых шлейфов, щелевых связей и разрывов полосковой линии. Причем, за счет механической жесткости такой конструкции существенно возрастает стабильность функциональных свойств СВЧ-модуля. Вообще говоря, к материалу пластины СВЧ-модуля предъявляется лишь одно и не очень строгое требование, сводящееся к тому, что потери в этой пластине не должны быть слишком большими.

Использование: для неразрушающего измерения комплексной диэлектрической проницаемости диэлектрических пластин на СВЧ. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для неразрушающего измерения комплексной диэлектрической проницаемости диэлектрических пластин на СВЧ, включает СВЧ-модуль в виде отрезка линии передачи и подключенный к нему измеритель частотной характеристики коэффициента отражения, при этом СВЧ-модуль выполнен в виде короткозамкнутого на конце отрезка несимметричной полосковой линии с воздушным заполнением и возможностью введения испытуемой диэлектрической пластины под полосок, цифровой выход измерителя коэффициента отражения подключен к компьютеру, снабженному программным обеспечением для импорта результатов измерения в компьютер, и электродинамического моделирования короткозамкнутого отрезка полосковой линии с введенной пластиной соответствующих размеров, и положения при пробном значении ее комплексной диэлектрической проницаемости, и вывода на дисплей измеренной и вычисленной частотных зависимостей коэффициента отражения. Технический результат: обеспечение возможности неразрушающего контроля параметров диэлектрической пластины с возможностью оценки однородности этих параметров. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для неразрушающего измерения комплексной диэлектрической проницаемости диэлектрических пластин на СВЧ, включающее СВЧ-модуль в виде отрезка линии передачи и подключенный к нему измеритель частотной характеристики коэффициента отражения, отличающийся тем, что СВЧ-модуль выполнен в виде короткозамкнутого на конце отрезка несимметричной полосковой линии с воздушным заполнением и возможностью введения испытуемой диэлектрической пластины под полосок, цифровой выход измерителя коэффициента отражения подключен к компьютеру, снабженному программным обеспечением для импорта результатов измерения в компьютер, и электродинамического моделирования короткозамкнутого отрезка полосковой линии с введенной пластиной соответствующих размеров, и положения при пробном значении ее комплексной диэлектрической проницаемости, и вывода на дисплей измеренной и вычисленной частотных зависимостей коэффициента отражения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что программное обеспечение содержит модуль варьирования пробных значений комплексной диэлектрической проницаемости в соответствии с поисковым алгоритмом минимизации отклонения вычисленной частотной зависимости от измеренной и вывода на дисплей оптимального значения комплексной диэлектрической проницаемости наряду с соответствующей этому значению частотной зависимостью коэффициента отражения.

3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что замкнутый на конце отрезок полосковой линии с воздушным заполнением содержит замкнутые и/или разомкнутые шлейфы, образующие полосковый резонатор.

4. Устройство по пп. 1-3, отличающееся тем, что полосок расположен на нижней стороне тонкой пластины.