Способ измерения параметров экранирующих материалов и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК G01R27/26 G01N22/00 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к измерению электромагнитных параметров и могут быть использованы для исследования параметров экранирующих материалов, преимущественно являющихся крупногабаритными строительными конструкциями сооружений.

Целью изобретения является увеличение числа измеряемых параметров, расширение диапазона частот измерений и повышение точности измерений.

На фиг. 1 показано предлагаемое устройство, общий вид; на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг. 3-6 - отдельные узлы устройства; на фиг. 7 - схема подключения к устройству измерительных приборов; на фиг. 8 - рисунок, поясняющий сущность предлагаемого способа.

Устройство для измерения параметров экранирующих материалов содержит резонатор 1 в виде прямоугольного параллелепипеда, внутренний объем которого разделен на две равные половины съемной металлической рамой 2. Рама 2 перемещается по направляющей 3. Во внутреннем объеме резонатора установлены дополнительные металлические переборки 4-7, разделяющие на две половины объем, образованный внешними и дополнительными внутренними верхней 8, нижней 9 и боковой 10 стенками резонатора. Съемная рама 2, направляющая 3 и переборки 4- 7 снабжены элементами радиогерметизации, выполненными в виде металлических листов, имеющих электрический контакт со стенками резонатора 1 и между собой по всем поверхностям сопряжения.

о XI

sQ

Јь СО

В объеме между двойными стенками резонатора установлен механизм перемещения элемента настройки резонатора, который электрически связан со стенками резонатора с помощью прижимных контактов 11.

Механизм перемещения элемента настройки резонатора состоит из двух идентичных частей, связанных с одним приводным механизмом и симметрично установленных на двух половинах резонатора. Каждая часть механизма перемещения включает ленточную диэлектрическую замкнутую петлю 12, закрепленную на двух валах 13 и 14с направляющими роликами, установленными в неподвижных опорах 15, размещенных на внутренних стенках 8 и 9 резонатора. Кроме того, каждая диэлектрическая лента закреплена на валу 16, на котором соразмерно имеющейся на диэлектрической ленте 12 перфорации жестко закреплены зубчатые барабаны 17, и на валу 18с направляющим роликом, установленным в неподвижной опоре 19, снабженной устройством натяжения диэлектрической ленты 12. Перфорация пробита на диэлектрической ленте вдоль обоих ее краев с одинаковым шагом. На валу 16 каждой половины механизма перемещения жестко закреплено зубчатое колесо 20 (см. фиг. 2). Зубчатое колесо 20 находится в зацеплении с зубчатым колесом 21, жестко закрепленным на общем валу 22, установленным в неподвижных опорах 23 (см, фиг. 2), закрепленных на нижней стенке резонатора 1, и через муфту 24 связанным с электродвигателем 25. Часть каждой диэлектрической ленты металлизирована. Металлизированная часть 26 каждой диэлектрической ленты через щели, вырезанные во внутренних верхней 8 и нижней 9 стенках резонатора, введена во внутреннюю полость соответствующей половины резонатора и, кроме того, связана электрически с верхней внутренней стенкой 8 с помощью прижимных контактов 11.

Устройство натяжения диэлектрической ленты 12, размещенное в неподвижной опоре 19, состоит из цилиндрической пружины сжатия 27 и бонома 28, перемещающегося по направляющим внутренним пазам опоры 19.

Во внутренней полости каждой половины резонатора в плоскости продольной симметрии относительно его внутренних стенок установлен Г-образный трубчатый возбудитель 29, во внутреннюю полость горизонтального плеча которого введен настроечный металлический стержень 30. Последний изолирован от внутренней полости возбудителя 29 с помощью диэлектрического вкладыша 31 (см.фиг. 4). Конец горизонтального плеча Г-образного возбудителя 29 закреплен в торцовой стенке резонатора

1с помощью диэлектрической гильзы 32. Конец вертикального плеча возбудителя 29 замкнут на нижнюю внутреннюю стенку 9 резонатора 1. В примыкающей к середине резонатора части возбудителя 29 прорезана

0 сквозная щель, в которую введена диэлектрическая лента 12 с ее металлизированной частью 26. Причем металлизация изолирована от щели возбудителя. Последнее может быть выполнено, например, установкой

5 на стенках щели диэлектрических покрытий. Стержень 30 закреплен в металлической опоре 33, имеющей контакт как со стенкой резонатора, так и со стержнем 30, и выносной опоре 34 (см. фиг. 1, 4), жестко

0 скрепленной с помощью кронштейнов 35 с корпусом резонатора 1.

Металлический стержень 30 связан с механизмом перестройки, включающим редуктор 36 с укрепленными на нем муфтой 37

5 и двигателем 38 (см. фиг. 1, 4). На металлическом стержне 30 нарезаны сегментные зубья и выполнен продольный шпоночный паз 39, исключающий проворот стержня. Редуктор 36 механизма перестройки состо0 ит (см. фиг. 3) из корпуса 40, вала 41 с червяком 42, вала 43, на котором жестко установлено червячное колесо 44 с развитой ступицей, на которую жестко установлен венец зубчатого колеса 45 из диэлектриче5 ского материала. Зубчатое колесо 45 находится в постоянном зацеплении со стержнем 30. На корпусе 40 редуктора 36 закреплено диэлектрического гнездо 46, в котором установлена втулка сальника 47,

0 сквозь который провод 48 высокочастотного кабеля (см, фиг. 4) подключен к горизонтальному концу возбудителя 29. Другой элемент настройки, образованный металлизированной частью 26 диэлектриче5 ской ленты 12, связан со стенкой резонатора с помощью прижимных контактов 49. Съемная рама 2 состоит из металлического каркаса 50 (см. фиг. 5-8) с закрепленным в нем (например, с помощью электросварки)

0 исследуемым образцом материала 51 (см. фиг. 1) и крышки 52, жестко скрепленной с каркасом 50 по одной из его граней и имеющей с ним электрический контакт по всей поверхности сопряжения. Элементы радио5 герметизации рамы 2 включают в себя М-об- разную сплошную пружину 53 (см. фиг. 8), расположенную по периметру свободных граней каркаса 50, металлический монолитный нож 54, закрепленный на свободных гранях каркаса 50 и имеющий с ним по всей

сопрягаемой поверхности электрический контакт, подпружиненную резиновым шнуром 55 металлическую оплетку 56 (например, плетенка типа ПМЛ), подпружиненную П-образной резиновой деталью 57, ме- таллическую оплетку 58, металлический цельный нож 59, укрепленный на стенке резонатора 1 и имеющий с ней электрический контакт по всей поверхности сопряжения. М-образная пружина 53 установлена в кронштейне 60, прикрепленном переборками А к верхней стенке резонатора 1, в направляющей 3 на нижней стенке резонатора 1 и на боковой стенке резонатора 1 с помощью переборок 5-7. Кронштейн 60 имеет электрический контакт по всей поверхности сопряжения с переборками 5, 4 и с направляющей 3, Нож 54 имеет электрический контакт по всей поверхности сопряжения с каркасом 50. Металли- ческие оплетки 56 и 58 имеют электрический контакт по всем поверхностям сопряжения с крышкой 52.

Способ определения параметров экранирующих материалов заключается в следу- ющем.

При включении в фидерный тракт симметричного относительно поперечного сечения резонатора проходного типа и возбуждения в нем электромагнитных колеба- ний производят его настройку на требуемой частоте по максимальному значению коэффициента бегущей волны (КБВ). Затем измеряют коэффициенты отражения от входа и выхода и коэффициент передачи резона- тора без каких-либо образцов, являющиеся исходными данными для вычисления матрицы передачи (Тр). Затем устанавливают в плоскости поперечной симметрии исследуемый образец, площадь поверхно- сти которого 5и равна площади поперечного сечения резонатора, и измеряют коэффициенты отражения от входа и выхода и коэффициент передачи резонатора, являющиеся исходными данными для вычис- ления матрицы передачи резонатора с исследуемым образцом (ТЈ). Кроме того, одновременно измеряют добротность резонатора со стороны входа. После указанных измерений заменяют исследуемый образец на эталонный, выполненный из такого же материала, как и стенки резонатора, и повторно измеряют добротность резонатора со стороны входа. После проведенных измерений вычисляют матрицы передачи (Тр) и (Т5-) и, кроме того, по данным измерений и вычислений матрицы передачи (Тр) определяют матрицы передачи двух половиц резонатора; от входа до оси симметрии (Тр) и от оси симметрии до выхода (Тр). Дополнительно на основе данных измерений и вычислений матрицы передачи (Т5-) и матриц передачи (Тр) и (Тр) находят матрицу передачи исследуемого образца (Т), определяемую матричным выражением |Т| |ТРГ -I Тг| |1гр Г1, получаемым на основе представления резонатора с исследуемым образцом в виде каскадно соединенных элементов с соответствующими матрицами передачи (Тр), (Т) и ().

Найденные указанными выше действиями величины являются достаточными для определения по формулам

arcth

Til + Т22 2Ж1Э iv Я

-//эЕэ -Н600эА)1/2

(Т11+Т22)2 (Tii-T22+2Ti2)2

(120я/ э)2

(ЕЭ + бОоэХ)-(-)

четырех вещественных параметров исследуемого образца: Јэ,//э, Оэ Оэ, полностью описывающих его электрические свойства на частоте измерений.

Однако для определения этих параметров у хорошо проводящих образцов (т.е. когда еэ«60 7эА) требуется с высокой точностью измерять коэффициенты отражения, близкие единице, и очень малые коэффициенты передачи. Минимально доступный для измерения коэффициент передачи определяется мощностью генератора и чувствительностью приемника и его модуль может составлять 100 дБ и менее. Однако измерение модуля коэффициента отражения, отличающегося от единицы на 10 ..., практически невозможно из-за отсутствия в практике приборов, обеспечивающих такую точность. В этом случае можно пренебречь влиянием Сэ, т.е. Јэ « 60 оь Я, и вычислить эквивалентные параметры , Оэ и с)э по формулам

яД- (Ј--iY|

Оэ L )

sh у d3 + 2Z0 ch у d3 -f Zo sh у d3

где еэ,, Оэ da - эквивалентные параметры исследуемого образца, под которыми понимаются параметры гипотетического материала толщиной 6Э, имеющего относительные магнитную уИэ и диэлектрическую ЕЭ прони- цаемости и удельную объемную проводимость Оэ

А - длина волны, на которой выполни ются измерения;

ро - волновое сопротивление Фидера, относительно которого измеряют матрицы передачи;

S - площадь внутренней поверхности половины резонатора с исследуемым образцом;

J4, а- относительная магнитная прони цаемость и удельная объемная проводимость материала, из которого выполнены внутренние стенки резонатора;

а - ширина исследуемого образца меж- ду боковыми стенками резонатора;

Тц, Т22, Ti2- комплексные коэффициенты матрицы |Т|, определяемой матричным выражением

1Т1 ГГРГ1 IT1 |ТРГ1,

Тц - первый диагональный элемент матрицы-(Тг ), равный обратной величине коэффициента передачи, измеренного у резонатора с исследуемым образцом;

(р- фаза коэффициента отражения от входа резонатора с исследуемым образ- u°ML.

Тцр, Ti2p, T22P - комплексные коэффициенты матрицы передачи (Тр),

Z0 -1 120 тг э/lpo VCA/aaf-iBOcfe/ J ; у JL-5. V(A/2af - I 60 Оэ fa I

используя результаты измерения добротности двухполюсника, образованного половиной проходного резонатора с вставленным исследуемым образцом, и добротности двухполюсника, образованного половиной проходного резонатора с эталонным образцом, изготовленным из такого же материала, как и стенки резонатора.

Устройство работает следующим образом.

Через провода 48, имеющие контакт с возбудителями 29, к последним подключают измерительный прибор (см, фиг. 7). В качестве такого прибора могут быть использованы любые известные приборы для измерения параметров элементов и трактов с распределенными постоянными, например, измерители комплексных коэффициентов передачи и отражения Р4-11 и измерители добротностей, например Е4-11.

После включения генераторного блока Р4-11 (выход Г) к входу резонатора (см. фиг. 7) е помощью возбудителя 29 в резонаторе возбуждаются электромагнитные

колебания. При этом в съемной металлической раме отсутствует эталонный и исследуемый образцы. С помощью элементов настройки, образованных металлизацией 26 части диэлектрических лент 12, произво0 дится настройка резонатора путем достижения по показателям прибора максимально возможного КБВ. Элементы настройки перемещаются механизмом перемещения диэлектрических лент 12 от общего приво5 да 2§, Дополнительно подстройка резонатора осуществляется перемещением металлических стержней 30 от механизмов перестройки, проводимых в действие двигателями 38, Наличие двух элементов на0 стройки обеспечивает достижение условия полного согласования: равенства активного сопротивления и волнового сопротивления фидера и компенсации реактивной составляющей. Измерительный

В блок Р4-11 (выход 2) подключен к выходу резонатора. По показаниям прибора Р4- 11 измеряют коэффициенты отражения и передачи. Затем в съемную металлическую раму устанавливают исследуемый об0 разец 51. В случае, если в исследуемом образце имеется металлическая арматура, то она должна иметь электрический контакт (например, приварена электросваркой) с рамой 2. Раму 2 с образцом 51 устанавливают

5 в резонатор и с помощью прибора Р4-11 вновь измеряются коэффициенты отражения и передачи, а также добротность. Для измерения добротности выход резонатора подключают к входу прибора Е4-11. Затем

0 съемную раму с исследуемым образцом заменяют сьемной рамой с эталонным высоко- проводящим образцом, выполненным из такого же материала, как и внутренние стенки резонатора, и опять с помощью измери3 теля добротностей Е4-11 определяют добротность резонатора.

Наличие двойных стенок резонатора позволяет полностью исключить влияние элементов механизмов перестройки на

0 структуру электромагнитного поля резонатора, т.е. на точность измерений. Элементы радиогерметизации также обеспечивают исключение просачивания электромагнитного поля через щели между подвижны5 ми сочленениями элементов устройства и между двумя половинами резонатора. Аналогичные измерения повторяются на всех необходимых для исследования частотах. По данным измерений и вычислений определяют искомые параметры.

Для обеспечения широкополосной работы устройства размеры резонатора должны выбираться из следующих условий:

-узкая сторона основания (ширина резонатора) должна быть меньше минимальной длины волны и одновременно больше 0,005 доли максимальной длины волны;

-широкая сторона основания (длина резонатора) должна быть в2...4 раза больше узкой стороны основания;

-горизонтальное плечо Г-образного возбудителя 29 должно быть ориентировано по продольной оси симметрии резонатора, а его длина должна составлять 0,7...0,9 от половины длины резонатора;

-ширина металлизированной части 26 диэлектрической ленты должна составлять 0,1...0,4 от длины горизонтального плеча Г- образного возбудителя 29;

-высота резонатора должна быть меньше его ширины, например составлять 0,8...0,9 от ширины резонатора;

-ширина образующей съемной рамы не должна превышать 0,1,..0,15 от общей длины резонатора.

Предлагаемый способ позволяет: -увеличить число измеряемых параметров экранирующего материала, а именно параметры Еэ,/гэ,Оэ d3 , достаточных для объективной оценки экранирующих свойств образца;

-расширить диапазон частот исследований, что позволит оценить экранирующие свойства образцов при воздействии импульсных воздействий.

Предлагаемое устройство позволяет:

-увеличить число измеряемых параметров;

-проводить исследования на крупногабаритных образцах материалов с произвольным рельефом поверхности.

В результате возможна объективная оценка экранирующих свойств крупногабаритных строительных конструкций, в том числе и при импульсных воздействиях, без существенных материальных затрат на ранних этапах проектирования строительных объектов и других сооружений.

Формула изобретения 1. Способ измерения параметров экранирующих материалов, заключающийся в измерении параметров резонатора при помещении в него эталонного и исследуемого образцов соответственно и вычислении искомого параметра, отличающийся тем, что, с целью повышения числа измеряемых параметров и расширения диапазона частот, исследуемый и эталонный

образцы помещают в плоскости симметрии резонатора, а в качестве измеряемых параметров резонатора при помещении в него исследуемого образца выбирают коэффициенты отражения от входа и выхода резонатора, коэффициент передачи и добротность Он резонатора со стороны входа, а при помещении в него эталонного образца - добротность Q со стороны входа, а эталонный образец выполняют из такого же материала, что и внутренние стенки резонатора, дополнительно измеряют коэффициенты отражения от входа и выхода резонатора и коэффициент передачи пустого резонатора, а искомые параметры определяют по формуле

Т + Т22 2ж1э г/ А ч2

arcth2Г К 2а

- эеэ+1бОстэЯ)1/2

25

(Гц (Tii-T22+2Ti2)

(120л:/гэ)2

30

35

2Z0

4Qshyd3+2Z0 chyd3+Zo shyd3

дляеэ «60% Я

45

ZD i 120 лг э/Ьоь U/2ar - I 60 (%/fe У f №1$ i 60 0-3 fh Я;

где Сэ.Мэ, 5э, d3, Зи - соответственно эквивалентные относительные магнитная, диэ- лектрическая проницаемости, удельная объемная проводимость, толщина и площадь поперечного сечения исследуемого образца;

А-длина волны; PO - волновое сопротивление ;

S - площадь внутренней поверхности половины резонатора с исследуемым образцом;

/i,О -относительная магнитная проницаемость и удельная объемная проводимость материала, из которого выполнены внутренние стенки резонатора;

а - ширина исследуемого образца;

Тп, Т22. Ti2 - комплексные элементы матрицы |Т|- 1ТРГ1 ЧТЈ|- , где ТЈ- матрица передачи с исследуемым образцом; - матрица передачи от входа до плоскости симметрии резонатора; Тр - от плоскости симметрии до выхода резонатора.

2, Устройство для измерения параметров экранирующих материалов, содержащее СВЧ-генератор, выход которого соединен с резонатором, элементы настройки резонатора и измеритель, отличающееся тем, что, с целью увеличения числа измеряемых параметров, расширения диапазона частот и повышения точности измерений, резонатор выполнен в виде прямоугольного параллелепида с тремя двойными боковыми стенками, в плоскости симметрии которого установлена металлическая съемная рама для размещения образца, делящая резонатор пополам и имеющая по всему периметру электрический контакт с внутренними стенками резонатора, в каждой половине резонатора в плоскости продольной симметрии установлен Г-образ- ный трубчатый возбудитель, вертикальное плечо которого, параллельное торцовой стенке резонатора, замкнуто на боковую стенку резонатора, а горизонтальное плечо, параллельное боковым стенкам резонатора, через изолятор, вставленный в отверстие, выполненное в торцовой стенке резонатора, подключено к СВЧ-генератору

и измерителю соответственно, в полости горизонтального плеча каждого Г-образно- го возбудителя соосно с ним размещен настроечный металлический стержень, изолированный от его внутренней поверхности, соединенный с торцовой стенкой резонатора и установленный с возможностью перемещения вдоль горизонтального плеча, на конце горизонтального и в вертикальном плечах каждого Г-образного

возбудителя выполнена щель, через которую и через щели, прорезанные по продольной оси симметрии в противоположных внутренних стенках резонатора, проходит диэлектрическая лента в виде петли с частично металлизированной поверхностью, изолированная от Г-образных возбудителей и имеющая контакт с боковой стенкой резонатора, при этом петля установлена с возможностью перемещения вдоль боковых

стенок резонатора, диэлектрические ленты в виде петли с частично металлизированной поверхностью и настроечный металлический стержень.являются элементами настройки резонатора, полости между двойными стенками каждой из половин резонатора разде- лены между собой металлическими перегородками.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для исследования параметров экранирующих материалов, преимущественно являющихся крупногабаритными строительными конструкциями сооружений. Цель изобретения - увеличение числа измеряемых параметров, расширение диапазона частот измерений и повышение точности измерений. Способ определения параметров экранирующих материалов заключается в возбуждении резонатора, его настройке, измерении коэффициентов отражения без образца, с образцом и эталонным образцом, а также в измерении добротностей резонатора с последующим вычислением параметров. Устройство для измерения параметров экранирующих материалов состоит из резонатора, внутренний объем которого разделен на две равные половины съемной металлической рамой. В раму установлены исследуемый и эталонный образцы. Во внутренней полости каждой половины резонатора установлены элементы его настройки. 2 с.п. ф-лы, 8 ил. (Л

27

Ю

X

38

14

&

1

SZ

ft

гпф

#

С1Ш.91.

53 Л

5555

Фиг. 5 Г-Г

52

59

V

52

50

Фиг. 6

Js/S7