Способ измерения диэлектрической проницаемости материалов Советский патент 1992 года по МПК G01N22/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения поперечной анизотропии диэлектрических материалов в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн

Известны способы измерения диэлектрической проницаемости материалов с помощью измерения Кс™ в частотной области для пластин, расположенных в волноводах и коаксиальных линиях.

Недостатками известных способов являются невозможность определения величин поперечной анизотропии материала и направление главных осей тензора поперечной диэлектрической проницаемости.

Наиболее близким по технической сущности является способ измерения диэлектрической проницаемости материалов, в том числе анизотропных, заключающийся в облучении диэлектрического образца электромагнитной волной, измерении угла

поворота диэлектрического образца по отношению к плоскости поляризации электромагнитной волны, определении направления главных осей тензора поперечной анизотропии по углу поворота в момент достижения экстремальных значений и расчете значения поперечной анизотропии диэлектрической проницаемости.

Недостатками способа является высокая трудоемкость, малая точность и чувствительность измерений поперечной анизотропии.

Целью изобретения является повышение чувствительности и точности измерений поперечной анизотропии.

Поставленная цель достигается тем, что облучение диэлектрического образца электромагнитной волной осуществляют путем возбуждения несимметричной волны Hip в круглом волноводе, о котором располагают диэлектрический образец, выполненный в

X

СЛ 00 О

виде пластины, ортогонально продольной оси круглого волновода, изменение угла поворота осуществляют путем вращения пластины в плоскости ортогональной оси круглого волновода, в качестве экстремальных значений выбирают значения минимальной и максимальной частот минимума KCTV, а расчет величин поперечной анизотропии диэлектрической проницаемости осуществляют по формулам:

Јх ei(1 + 1/а) + - 1/а);

Ју ei(1 - 1 /а) + ez(1 +1 /а); (1)

+ фт.Н,2: ,5-1/(vip2-1),

где d - толщина пластины, см; R - радиус волновода, см;

vip - корень уравнения 11 (vip) 0;

Ii - производная функция Бесселя;

С - скорость света, см/с;

fi, h наименьшая и наибольшая частоты, Гц, соответствующие минимумам KCTV.

На фиг. 1 схематически изображена установка для измерения поперечной анизотропии диэлектрических материалов; на фиг. 2 - расчетные значения модуля коэффициента отражения, как функции нормированной частоты V (KR/ Vip ) при различных углах Э между осью пластины с наибольшим значением диэлектрической проницаемости и плоскостью поляризации волны Hip. Измерительная установка состоит из согласованной нагрузки 1, вращающейся секции круглого волновода, содержащего измеряемую диэлектрическую пластину 2, волноводный переход прямоугольного волновода на круглый 3, направленный ответ- витель 4, коаксиально-волноводный переход 5. детекторы падающей 6 и отраженной 7 волны, генератор качающейся частоты 8. индикатор КСВН и ослабления Я2Р - 67 - 9. На фиг. 2 кривая 10 соответствует углу . кривая 11 -углу , кривая 12 - углу 0 90° при значениях d/R 0,27, ех 11,56, Ју 9,35.

Предлагаемый способ измерения анизотропии диэлектрической проницаемости материалов реализуется следующим образом. С генератора качающейся частоты 8 СВЧ сигнал через коаксиально-волноводный переход 5 подается на секцию прямоугольного волновода с направленным отаетвителем 4. Часть энергии прямой волны через направленный ответвитель и детектирующую секцию 6 подается на вход падающей волны индикатора 9, другая часть энергии через волноводный переход подается на вращающуюся секцию с измеряемой пластиной 2. Отраженная волна через направленный ответвитель и детектирующую секцию 7 подается на вход отраженной волны индикатора Я2Р - 67.

В общем случае, когда положение осей

тензора поперечной диэлектрической проницаемости и плоскости поляризации волны Hip произвольно, представим падающую волну в виде суммы двух волн. Поляризация одной из волн совпадает с главной осью

тензора, имеющего наибольшую величину диэлектрической проницаемости, поляризация другой совпадает с другой осью тензора

20

Unln Un(lxCos0+ ysln 0

(2),

где In, Ix, ly - единичные векторы;

0- угол между векторами 1П и 1х. Комплексные коэффициенты отражения волн с различной поляризацией вычисляются с помощью формулы

|(Г0/Г - П/Гр) sin(fjd)

2cos(fjd) + |(Го/П + rj/ro)sin(rjd) J-1.2,(3)

где Г0 | К - ( vip /R) - постоянная распространения волны Н1р в незаполненном волповоде;

Tj - постоянные распространения для волн с первой и второй поляризацией в волноводе, заполненном анизотропной средой, которые а первом приближении определяются соотношеггиями

(0.5--г1--)Кг-да.(4)

1

Амплитуда и поляризация отраженной волны равна

UoTloT Un(ixRlCOS0+1yR2Sln 0), (5)

Так как поляризация волны определяется прямоугольным волноводом, то амплитуда отраженной волны в прямоугольном волноводе равна

UenfoiTn) - Un(RlCOS2 0+ R2Sln2 0). (6)

а модуль коэффициента отражения

I R I - Ricos2 0+ Rasln2 0. (7)

Анализ выражения (7) с учетом (3) показывает, что модуль коэффициента отражения и связанного с ним значения Kcrv (1 + I R 1)/(1 - I R I ) принимает минимальные значения при условиях

Из условий (8) и (9) и формулы (4) получим соотношения (1), связывающие частоты минимума KCTV и диэлектрические проницаемости ЕХ и Ју,

Таким образом на экране индикатора Я2Р - 67 в общем случае наблюдается характеристика Кет, аналогичная кривой 11. Вращая измерительную секцию 3, находим ее положение, при котором зависимость КСт от частоты совпадает с кривой 10, Фиксируем положение секции 3 относительно прямоугольного волновода 4 и по частотным меткам определяем наименьшую частоту. Затем аналогичным образом находим положение измерительной секции относительно прямоугольного волновода, при которой зависимость KCTV от частоты совпадает с кривой 12. Согласно условиям (8) и (9) эти два полевения соответствуют случаям, когда мэвные оси тензора диэлектрической проницаемости ортогональны широкой стенке прямоугольного волновода. По наименьшей и наибольшей частотам минимума Кс™ с помощью соотношений (1) определяем величины Јх и Ју в направлениях по главным осям поперечных компонент тензора диэлектрической проницаемости.

Использование предлагаемого способа измерения диэлектрической проницаемости позволяет по сравнению с существующими увеличить точность ы чувствительность измерения величин поперечной анизотропии и положения главных осей тензора диэлектрической проницаемости.

Формула изобретения

Способ измерения диэлектрической проницаемости материалов, заключающийся в

5 облучении диэлектрического образца электромагнитной волной,изменении угла поворота диэлектрического образца по отношению к плоскости поляризации электромагнитной волны, определение направления главных

10 осей тензора поперечной анизотропии по углу поворота в момент достижения экстремальных значений и расчете значения поперечной анизотропии диэлектрической проницаемости, отличающийся тем,

15 что, с целью повышения чувствительности и точности измерений поперечной анизотропии, облучение диэлектрического образца электромагнитной волной осуществляют путем возбуждения несимметричной волны

20 Hoip в круглом волноводе, в котором располагают диэлектрический образец, выполненный в виде пластины, ортогонально продольной оси круглого волновода, изменение угла поворота осуществляют путем

25 вращения пластины в плоскости, ортогональной оси круглого волновода, в качестве экстремальных значений выбирают значение минимальной и максимальной частот минимума KCTV, а расчет значений попереч30 ной анизотропии диэлектрической прони- цаемости осуществляют по формулам:

Сх fi(1 + 1 /а) + ег(1 1 /а) : 35 Ју ei(l - 1/а) + Ј2(1 + 1/а):

(l/(.J-i.2: .

40a 0,5-1/(vip2-1),

где d - толщина пластины, см;

R - радиус круглого волновода, см; vip - корень уравнения h1( vip) 0; 45 it1 - производная функция Бесселя; С - скорость соета, см/с; fit f2 - измеренная минимальная и максимальная частоты, Гц.

Ј

Изобретение относится к измерительной технике, в частности для измерения поперечной анизотропии диэлектриков в СВЧ-диапазоне. Цель изобретения - повышение чувствительности и точности измерения поперечной анизотропии диэлектрической проницаемости. Новым является то, что измеряемую пластину вращают в плоскости ортогональной оси круглого волновода и определяют ее положения, соответствующие минимальной и максимальной частотам минимума Кет. По положению пластины относительно плоскости поляризации волны Hip в этих частотных точках определяют главные оси поперечной анизотропии, а по частотам определяют величины диэлектрических проницаемостей вдоль этих направлений. 2 ил.

Г./

4 W У

U /t U v