Способ измерения параметров экранирующих материалов и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1679 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ИЗОБРЕТЕН И ИС У СВИДЕТЕЛЬСТВУ АВТОР 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 беэ 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 обьем которого разделен на две равные половины сьемной 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.,Колябин, О.В,Попов 088,8)электронной троника, 1968 окунько В.С. О х аппаратов. - с. 111 в 1. технике, , с. 34-40. бтекатели м.: маши(54) СПОСОБ ЭКРАНИРУЮ РОЙСТВО ДЛ (57) Изобретен и может быть ния параметро преимуществе ритными стр ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЩИХ МАТЕРИАЛОВ И УСТЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ие относится к радиотехнике использовано для исследовав экранирующих материалов, нно являющихся крупногабаоительными конструкциями Устройство для измерения п экранирующих материалов содер натор 1 в виде прямоугольного п пипеда, внутренний объем разделен на две равные половин металлической рамой 2, Рама 2 ется по направляющей 3, Во в объеме резонатора установлены тельные металлические переб разделяющие на две половин образованный внешними и допол ми внутренними верхней 8, нижн ковой 10 стенками резонатора. рама 2, направляющая 3 и переб снабжены элементами радиогерм выполненными в виде металлич тов, имеющих электрический к стенками резонатора 1 и между всем поверхностям сопряжения. к радиотехнике, ктромагнитных пользованы для акра нирующих но являющихся ельными конста им пара иссл мате круп рукц изобретения является увеличеизмеряемых параметров, расшиапазона частот измерений и е точности измерений,г. 1 показано предлагаемое устщий вид; на фиг;2 - вид по стрелг. 1; на фиг. 3-6 - отдельные узлы ; на фиг. 7 - схема подключения ву измерительных приборов; на рисунок, поясняющий сущность мого способа. Целью ние числа рение ди повышени На фи ройство, об кеАнафи устройства к устройст(56) Обзоры повып. 21, М.: ЭлеПригода Б.А., Кантенн летательнынастроение, 1978,зобретениеотносится нно к измерению элеметров и могут быть ис дования параметров иалов, преимуществен огабаритными строит ями сооружений.(51)5 0 01 В 27/26, О 01 К 22/00 араметров жит резо- араллелекоторого ы съемной перемещанутреннем дополни- орки 4-7, ы объем, нительныей 9 и боСъемная орки 4- 7 етизации, еских лисонтакт со собой по.И Редакт ва роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгоро а гарина,акаэ 3211 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5В 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 резонато, ра. Каждая часть механизма перемещения включает ленточную диэлектрическую замкнутую петлю 12, закрепленную на двух валах 13 и 14 с 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 18 с 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 внутреннююполость горизонтального плеча которого введен настроечный металлический стержень 30. Последний изолирован от внутренней поло 5 10 15 20 30 нец зубчатого колеса 45 из диэлектриче 35 ского материала. Зубчатое колесо 45 40 45 50 55 сти возбудителя 29 с помощью диэлектрического вкладыша 31 (см.фиг. 4), Конец горизонтального плеча Г-образного возбудителя 29 закреплен в торцовой стенке резонатора 1 с 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 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 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 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 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 состоит (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 венаходится в постоянном зацеплении со стержнем 30. На корпусе 40 редуктора 36 закреплено диэлектрического гнездо 46, в котором установлена втулка сальника 47, сквозь который провод 48 высокочастотного кабеля (см, фиг, 4) подключен к горизонтальному концу возбудителя 29. Другой элемент настройки, образованный металлизированной частью 26 диэлектрической 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) 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 радио- 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 всейсопрягаемой поверхности электрический.контакт, подпружиненную резиновым шнуром 55 металлическую оплетку 56 (например, плетенка типа ПМЛ), подпружиненнуюП-образной резиновой деталью 57, металлическую оплетку 58, металлическийцельный нож 59, укрепленный на стенкерезонатора 1 и имеющий с ней электрический контакт по всей поверхности со-пряжения. М-образная пружина 53 10установлена в кронштейне 60, прикрепленном переборками 4 к верхней стенкерезонатора 1, в направляющей 3 на нижнейстенке резонатора 1 и на боковой стенкерезонатора 1 с помощью переборок 5 - 7. 15Кронштейн 60 имеет электрический контактпо всей поверхности сопряжения с переборками 5, 4 и с направляющей 3, Нож 54имеет электрический контакт по всей поверхности сопряжения с каркасом 50. Металлические оплетки 56 и 58 имеют электрическийконтакт по всем поверхностям сопряженияс крышкой 52,Способ определения параметров экранирующих материалов заключается в следующем.При включении в фидерный тракт симметричного относительно поперечногосечения резонатора проходного типа и возбуждения в нем электромагнитных колебаний производят его настройку на требуемойчаСтоте по максимальному значению коэффициента бегущей волны (КБВ). Затем измеряют коэффициенты отражения от входа ивыхода и коэффициент передачи резонатора без каких-либо образцов, являющиеся исходными данными для вычисленияматрицы передачи (ТР). Затем устанавливают в плоскости поперечной симметрииисследуемый образец, площадь поверхности которого Яи равна площади поперечного сечения резонатора, и измеряюткоэффициенты отражения от входа и выходаи коэффициент передачи резонатора, являющиеся исходными данными для вычисления матрицы передачи резонатора сисследуемым образцом (Т ). Кроме того,одновременно измеряют добротность резонатора со стороны входа, После указанных измерений заменяют исследуемый 50образец на эталонный, выполненный изтакого же материала, как и стенки резонатора, и повторно измеряют добротностьрезонатора со стороны входа, После проведенных измерений вычисляют матрицы 55передачи (Тр) и (Т) и, кроме того, по данным измерений и вычислений матрицы передачи (ТР) определяют матрицы передачидвух половир резонатора; от входа до осисимметрии (ТР) и от оси симметрии до выхода (ТР). Дополнительно на основе данных измерений и вычислений матрицы передачи (Т -) и матриц передачи (ТР) и (ТР) находят матрицу передачи исследуемого образца (Т), определяемую матричным выражением Т = ТРТР , получаемым на основе представления резонатора с исследуемым образцом в виде каскадно соединенных элементов с соответствующими матрицами передачи(Т"),(Т) и(ТР),Найденные указанными выше действиями величины являются достаточными.для определения по формулам1 Т 11+ Т 22 2 гдэ Л .2 - Рэ Еэ +1600,Л 2 (Т 11 - Т 22 + 2 Т 12)(120 КРэ)иэ(э+60 Л)-( а четырех вещественных параметров исследуемого образца: еэиэ, (тэ (Ь, полностью описывающих его электрические свойства на частоте измерений.Однако для определения этих параметров у хорошо проводящих образцов(т,е. когда еэ 60 оэЛ ) 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 10 5, практически невозможно из-за отсутствия в практике приборов, обеспечивающих такую точность, В этом случае можно пренебречь влиянием яэ, т.е. еэ60 Оэ Л, и вычислить эквивалентные параметры,иэ, аэ и бэ по формулам1 Я 0 2с ТЬ гр )гТ 12 о 27 о СЬ )сакэ +2 о ЗЬ2, настройки, образованных металлизацией26 части диэлектрических лент 12, произво дится настройка резонатора путем достижения по показателям прибора максимально еоэможного КБВ, Элементы настройки перемещаются механизмом перемещения г,=120 л,и,/ 2 л подключают к входу прибора Е 4-11. Затем 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 измерителя добротностей Е 4-11 определяют добротность резонатора.Наличие двойных стенок резонатора позволяет полностью исключить влияние элементов механизмов перестройки на структуру электромагнитного поля резонатора, т,в, на точность измерений. Элементы радиогерметизации также обеспечивают искл юч ение "и рос ач иван ия" электромагнитного поля через щели между подвижными 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. 40 4550 я добротноого полови" тавленным брати ости половиной ным образе материаим обрагде еэ, фэ, Оэ бэ - эквивалентные параметры исследуемого образца, под которыми понимаются параметры гипотетического материала толщиной бз, имеющего относительные магнитную рэ и диэлектрическую еэ проницаемости и удельную обьемную проводимость (тэ;А - длина волны, на которой выполняются измерения;р, - волновое сопротивление Фидера, относительно которого измеряют матрицы передачи;5 - площадь внутренней поверхности половины резонатора с исследуемым образцом;р, о- относительная магнитная проницаемость и удельная объемная проводимость материала, из которого выполнены внутренние стенки резонатора;а - ширина исследуемого образца между боковыми стенками резонатора,Т 1 1, Т 22, Т 12 - комплексные коэффициенты матрицы 1 Т 1, определяемой матричным выражениемт = 1 ТРГТ 1 трГ,Ти - первый диагональный элемент матрицы (Т ), равный обратной величине коэффициента передачи, измеренного у резонатора с исследуемым обраэцом,р - фаза коэффициента отражения От входа резонатора с исследуемым Образцом;Т 1 1 Р, Та, Тл - комплексные коэффициенты матрицы передачи (Т"),используя результаты измерени сти двухполюсника, образованн ной проходного резонатора с вс исследуемым образцом, и до двухполюсника, образованного проходного резонатора с эталон цом, изготовленным из такого ж ла, как и стенки резонатора.Устройство работает следую 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 Р 4-11 и измерители добротностей, например Е 4-11. 15 20 28 30 35 После включения генераторного блока Р 4-11(выход "1") к входу резонатора (см, фиг. 7) С помощью возбудителя 29 в резонаторе возбуждаются электромагнитные колебания, При этом в съемной металлической раме отсутствует эталонный и исследуемый Образцы. С помощью элементов диэлектрических лент 12 от общего приводэ 25, Дополнительно подстройка резона- тОРэ Осуществляется перемещением металлических стержней 30 от механизмов пврвстройки, проводимых в действие двигателями 38, Наличие двух элементов наСтройки обеспечивает достижение условия полного согласования: равенства активного сопротивления и волнового сопротивления фидера и компенсации реактивной составляющей. Измерительный блок Р 4-11 (выход "2") подключен к выходу резонатора. По показаниям прибора Р 4- 11 измеряют коэффициенты отражения и передачи. Затем в съемную металличеСкую раму устанавливают исследуемый образец 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 в резонатор и с помощью прибора Р 4-11 вновь измеряются коэффициенты отражения и передачи, а также добротность. Для мерения добротности выход резонатораДля обеспечения широкополосной работы устройства размеры резонатора должны выбираться из следующих условий:- узкая сторона основания (ширина резонатора) должна быть меньше минимальной длины волны и одновременно больше0,005 доли максимальной длины волны;- широкая сторона основания (длинарезонатора) должна быть в 24 раза большеузкой стороны основания;- горизонтальное плечо Г-образноговозбудителя 29 должно быть ориентированопо продольной оси симметрии резонатора,а его длина должна составлять 0,70,9 отполовины длины резонатора;- ширина металлизированной части 26диэлектрической ленты должна составлять0,10,4 от длины горизонтального плеча Гобразного возбудителя 29;- высота резонатора должна быть меньше его ширины, например составлять0;80,9 от ширины резонатора;- ширина образующей съемной рамы недолжна превышать 0,10,15 от общей длины резонатора,Предлагаемый способ позволяет:-увеличить число измеряемых параметров экранирующего материала, а именнопараметры еэ /мэ, О бэ, достаточных дляобъективной оценки экранирующих свойствобразца;- расширить диапазон частот исследований, что позволит оценить экранирующиесвойства 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,Ф о р мул а из о бр е те н ия 1. Способ измерения параметров экранирующих материалов, заключающийся в измерении параметров резонатора при помещении в него эталонного и исследуемого образцов соответственно и вычислении искомого параметра, отл ич а ющийся тем, что, с целью повышения числа измеряемых параметров и расширения диапазона частот, исследуемый и эталонныйобразцы помещают в плоскости симметрии резонатора, а в качестве измеряемых параметров резонатора при помещении в него исследуемого образца выбирают коэффи циенты отражения от входа и выхода резонатора, коэффициент передачи и добротность 0 н резонатора со стороны входа, а при помещении в него эталонного образца - добротность 0 со стороны вхо да, а эталонный образец выполняют из такого же материала, что и внутренние стенки резонатора, дополнительно измеряют коэффициенты отражения от входа и выхода резонатора и коэффициент переда чи пустого резонатора, а искомые параметры определяют по формуле 20 и еэ + 60 пэЛ)1(Т 11 -Т 22 + 2 Т 12) Л 1)У 35 0Збэ+22 осУОэ 60 стэЛ120 л,иэ/оо (Л яЕэ(- 160 СЬсэ 4; У Л вива- диэгде Ьиэ, дэ, бэ, Яи - соответственно эк лентные относительные магнитная, лектрическая проницаемости, удел объемная проводимость, толщина и щадь поперечного сечения исследуе образца;Л- длина волны; .,Оо - волновое сопротивление; Я - площадь внутренней поверхн половины резонатора с исследуемым о ьна мо остибраз,и, О - относительная магнитная проницаемость и удельная объемная проводи 1679413мость материала, из которого выполнены внутренние стенки резонатора;а - ширина исследуемого образца;Т 11, Т 22, Т 12 - комплексные элементы матрицы Т = ТР ТТф где Т"- матрица передачи с исследуемым образцом; Тр - матрица передачи от входа до плоскости симметрии резонатора; Т" - от плоскости симметрии до выхода резонатора.2, Устройство для измерения параметров экранирующих материалов, содержащее СВЧ-генератор, выход которого соединен с резонатором, элементы настройки резонатораиизмеритель,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 сьемная рама для размещения образца, делящая резонатор пополам и имеющая по всему периметру электрическйй контакт с внутренними стенками резонатора, в каждой половине резонатора в плоскости про.дольной симметрии установлен Г-образный 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 5 и измерителю соответственно, в полостигоризонтального плеча каждого Г-образного возбудителя соосно с ним размещен настроечный металлический стержень, изолированный от его внутренней поверх ности, соединенный с торцовой стенкой резонатора и установленный с возможностью перемещения вдоль горизонтального плеча, на конце горизонтального и в вертикальном плечах каждого Г-образного 15 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 час тично металлизированной поверхностью,изолированная от Г-образных возбудителей и имеющая контакт с боковой стенкой резонатора, при этом петля установлена с возможностью перемещения вдоль боковых 25 стенок резонатора, диэлектрические ленты ввиде петли с частично металлизированной поверхностью и настроечный металлический стержень. являются элементами настройки резонатора, полости между двойными стен ками каждой из половин резонатора разделены между собой металлическими перегородками.