Способ определения диэлектрической проницаемости и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01N22/00 

Изобретение относится к технике измерений в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых волн и может быть использовано для измерений действительной части диэлектрической проницаемости материалов.

Цель изобретения - повышение точности измерений в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых волн.

Поставленная цель достигается тем. что в известном способе определения диэлектрической проницаемости, заключающемся в облучении испытуемого диэлектрика электромагнитным полем посредством двухпле- чевого излучателя, изменении разности фаз полей в плечах излучателя и измерении ам- плитуды прошедшей волны, одновременно изменяют длину плечей и разность фаз в

плечах пропорционально их длине, получают зависимость амплитуды прошедшего сигнала от длины плеча, по полученной зависимости определяют величину периода следования нулей амплитуды и величину диэлектрической проницаемости определяют из соотношения:

( 1 1 (утг)

контролируемом диэлектрике, занимающем область у 0, этот излучатель формирует поле, нормированная диаграмма направленности которого в плоскости z 0 имеет вид

Я0

/F(0)/

()-

А

7t(4±-Ves ne)

Т7

Использование: изобретение может быть использовано для измерения действительной части диэлектрической проницаемости материалов. Сущность изобретения: способ определения диэлектрической проницаемости материала включает облучение испытуемого диэлектрика электромагнитным полем с помощью двухплечего излучателя, изменение разности фаз полей в плечах излучателя, измерение амплитуды прошедшей волны. Изменяют длину плечей и-разность фаз в плечах пропорционально их длине, получают зависимость амплитуды прошедшей волны от длины плеча, по которой определяют величину периода следования нулей амплитуды, а значение диэлектрической проницаемости определяют из соотношения: Ј Ao/Sin2 Q (Л---Д-)2 , где . b Q - угол наблюдения, Я 0 , Я ь - длина волны в свободном пространстве и в излучателе соответственно; Д - период следования нулей амплитуды. В устройстве, реализующем способ, каждый излучатель выполнен в виде диэлектрического волновода и пары расположенных в одной плоскости прямоугольных металлических пластин установленных с зазором по отношению к волноводу, при этом большие кромки пластин параллельны волноводу, одна из пластин жестко закреплена, другая пластина установлена с возможностью перемещения вдоль оси диэлектрического волновода и жестко связана с последним, пара металлических пластин второго излучателя размещена в той же плоскости, что и пластины первого, подвижная пластина первого излучателя контактирует большей кромкой с большей кромкой неподвижной пластины второго излучателя, а неподвижная пластина первого - с неподвижной второго, причем меньшие кромки неподвижных пластин расположены вдоль одной прямой. 2 с.п. ф-лы, 4 ил. ел с со о о CJ со со

где Я о Длина волны в вакууме;

Яь - длина волны в диэлектрическом

волноводе;

Д- период следования нулей амплитуды;

в- угол, отсчитываемый от нормали к излучателю до направления на приемник.

Поставленная цель достигается также тем, что в известном устройстве, содержащем приемник, измерительный прибор, генератор СВЧ, соединенный с делителем мощности, к выходам которого подключены волноводные излучатели, каждый из по- следних выполнен в виде диэлектрического волновода и пары расположенных в одной плоскости прямоугольных металлических пластин, установленных с зазором по отношению к диэлектрическому волноводу, при этом большие кромки пластин параллельны волноводу, одна из пластин жестко закреплена, другая установлена с возможностью перемещения вдоль оси диэлектрического волновода и жестко связана с последним, пара металлических пластин второго излучателя размещена в той же плоскости, что и пластина первого излучателя, подвижная пластина первого излучателя контактирует своей большей кромкой с большей кромкой неподвижной пластины второго излучателя, а неподвижная пластина первого - с подвижной второго, причем меньшие кромки неподвижных пластин расположены вдоль одной прямой.

Изобретение поясняется фиг.1-4.

На фиг.1 схематически изображен двух- плечий излучатель, реализующий данный способ.

Излучатель состоит из двух плечей:

{-d х 0

у 0 и

{0 х d, у 0,

каждое из которых возбуждается токами, зави- 55 симость от х которых в плоскости у 0 имеет

,. 1 л - вид для первого плеча j 1 exp (i х )и

для второго j 2 exp i ( х - 2 d ) . В

COS л(- + 0) ,

где d - длина плеча антенны;

0-угол наблюдения, отсчитываемый от нормали к излучателю до направления на приемник;

Я о - длина волны в свободном пространстве;

Я ь - длина волны в волноводе;

Е- диэлектрическая проницаемость.

Сигнал, наблюдаемый под углом 0 , может быть представлен в виде произведения двух функций, одна из которых нормированная диаграмма направленности излучателя, а другая - функция, пропорциональная мощности, излучаемой в диэлектрик. Изменяя d от 0 до величины в несколько длин волн, получим квазипериодическую функцию по d, положения нулей которой An при условии

( )-т ЛГ81п0()

v Яь Я0v Яь

где d - предельный размер плеча излучателя, определяется выражением

An Я0 (-21-+ п ) ( (9) 1

где п 0,1,2,..., откуда легко получается выражение для Е , приводимое в формуле изобретения.

Условие, налагаемое на диапазон углов 0 , при которых необходимо производить измерения, есть ничто иное, как требование необращения в нуль множителя диаграммы направленности

()

я()-Ј-

А ЬАО

которое с одной стороны дает возможность иметь максимально простой способ определения к , приведенный в формуле изобретения, а, с другой стороны, упрощает процедуру измерений, поскольку в определяемом диапазоне углов в имеются абсолютные максимумы излучения. Следует отметить, что относительная погрешность определения периода следования нулей амплитуды, а вместе с ней и погрешность нахождения значения диэлектрической проницаемости будут тем меньше, чем большее количество периодов используют для его вычисления. Но тем очевиднее вывод о том, что предлагаемый способ работает тем точнее, чем короче используемая длина вол- ны..0граничение сверху на предельные размеры апертуры излучателя накладывается условием нахождения приемника в дальней зоне.

Блок-схема устройства для измерения диэлектрической проницаемости приведена на фиг.2.

Устройство содержит генератор СВЧ 1, соединенный с делителем мощности 2, к выходам которого подключен соединенный с механизмом перемещения и отсчета 3 двухплечевой излучатель 4, размещенный на плоской грани контролируемого диэлектрика 5, приемник 6, связанный с механизмом измерения угла наблюдения 7 и соединенный с измерительным прибором 8.

Две проекции устройства двухплечево- го излучателя 4 приведены на фиг.З и фиг.4.

Двухплечевой излучатель состоит из диэлектрических волноводов 9, расположенных над подвижной 11 и неподвижной 10 парами металлических пластин, находящихся в контакте с образцом диэлектрика с плоской гранью 5.

Работает устройство следующим образом.

В исходном состоянии подвижные пластины 11 (см. фиг.З, 4) каждого из излучателей вплотную придвинуты к неподвижным 10. С помощью механизма перемещения и отсчета 3 (см. фиг.2) подвижные пластины- каждого волноводного излучателя, связанные с соответствующими диэлектрическими волноводами 9 (см. фиг.З, 4), перемещают в противоположных направлениях, тем самым синхронно изменяют величину промежутка между подвижными 11 и неподвижными 10 пластинами каждого из излучателей. При этом в приемник 6 (см. фиг.2), расположенный под углом 9, который измеряют с помощью механизма 7, поступает прошедшая через образец волна,

амплитуду последней регистрируют измерительным прибором 8 при всех значениях величины промежутка излучателей и таким образом получают зависимость амплитуды

прошедшей волны от величины промежутка. Полученная зависимость, как было отмечено выше, позволяет определить значение диэлектрической проницаемости материала.

Формула изобретения

по формуле

( 1 1 2

()

где Я о - длина волны в свободном пространстве;

АЬ - длина волны в двуплечем излучателе;

А- период следования нулей амплитуды прошедшей волны, а угол 9 выбирается из соотношения

40

dk

(Ј.) JLv5rsin0 ( +1 ),

4 А Ь An v /. h

где aV - предельный размер плеча излучателя.

0 подключены излучатели, приемник, соединенный с индикатором, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, волно- водный излучатель выполнен в виде диэлектрического волновода и пары расположенных

5 водной плоскости прямоугольных металлических пластин, установленных с зазором по отношению к диэлектрическому волнопо- ду, при этом большие кромки пластин параллельны диэлектрическому волноводу. одна из пластин жестко закреплена, а другая установлена с возможностью перемещения вдоль оси диэлектрического волновода и жестко связана с ним, пара металлических пластин второго излучателя размещена в той же плоскости, что и пластины первого излучателя, подвижная пластина первого

излучателя имеет контакт большей кромкой с большей кромкой неподвижной пластины второго излучателя, а неподвижная пласти: на первого - с подвижной пластиной второго, причем меньшие кромки неподвижных пластин расположены вдоль одной прямой.

Фиг. I

Фиг. 2

Фиг. 3

Фаг. 4