Способ измерения диэлектрической проницаемости материалов

(я)5 0 01 М 22/00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМПО ИЗОбРЕТЕНИЯМ И ОТПРИ ГКНТ СССР ЕТЫТИЯМ ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН К АВТ(56) Труды инстике и радиоэлектрАвторское сВ 1255904, кл. 6 л, Р 32радиотехнически институт электронис. 206-225.СР тута инженеров по нике, 1986, М 1, идетельство СС 01 М 22/00, 198 ПЕКТРИАТЕ РИАьнои я изе ктм и ется повышети измерений ОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ Д КОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ(57) Изобретение относится к измерительной технике, в частности для измерения поИзобретение относится к измерител технике и может быть использовано дл мерения поперечной анизотропии диэл рических материалов в сантиметрово 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,.Ы 2, 1758530 А перечной анизотропии диэлектриков в СВЧ-диапазоне, Цель изобретения - повышение чувствительности и точности измерения поперечной анизотропии диэлектрической проницаемости. Новьил является то, что измеряемую пластину вращают в плоскости ортогональной оси круглого волновода и определяют ее положения, соответствующие минимальной и максимальной частотам минимума Кст, По положению пластины относительно плоскости поляризации волны НР в этих частотных точках определяют главные оси поперечной анизотропии, а по частотам определяют величины диэлектрических проиицаемостей вдоль этих направлений. 2 ил. 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 аиизотропии диэлектрическойй п рон ицаемости.Недостатками способа является высокая трудоемкость, малая точность и чувствительность измерений поперечной анизотропии.Целью изобретения являиие чувствительности и точиоспоперечной анизотропии.Поставленная цель достигается тем, что облучение диэлектрического образца электромагнитной волной осуществляют путем возбуждения несимметричной волны Н 1 р в круглом волноводе, в котором располагают диэлектрический образец. выполненный ввиде плас 1 ины, 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 Ктч, а расчет величин поперечной энизотропии диэлектрической проницаемости осуществляют по формулам:ех = е 1(1 + 1/а) + П(1 - .1/а);еу = е 1(1 - 1/а) + ег(1 + 1/а); (1) ц =ф + (-рк) 1/( - )-, 1=1,2,а = 0,5 1/(р 1),ггде б - толщина пластины, см;( - радиус волновода, см;1йр - корень уравнения 11 и 1 р) = 0;11 - производная функция Бесселя; С - скорость света, см/с;т 1, тг- наименьшая и наибольшая частоты, Гц, соответствующие минимумам Кст.На фиг. 1 схематически изображена установка для измерения поперечной анизотропии диэлектрических материалов; на фиг.2 - расчетные значения модуля коэффициента отражения, как функции нормированной частоты Ч = (КВ у 1 р ) при различных углах О между осью пластины с наибольшим значением диэлектрической проницаемости и плоскостью поляризации волны Н 1 р. Измерительная установка состоит из согласованной нагрузки 1, вращающейся секции круглого волновода, содержащего измеряемую диэлектрическую пластину 2, волноводный переход прямоугольного волновода на круглый 3, направленный ответвитель 4, коаксиально-волноводный переход 5, детекторы падающей 6 и отраженной 7 волны; генератор качающейся частоты 8, индикатор КСВН и ослабления Я 2 Р - 67 - 9, На фиг. 2 кривая 10 соответствует углу О- Оо, кривая 11-углу О= 45 О, кривая 12 - углу б = 90 при значениях б/й = 0,27 х - 11 56. Еу 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 волноводэ с направленным ответвителем 4,.Часть энергии прямой волны через направленный ответвитель и дв тектирующую секцию 6 подается на вход падающей волны индикатора 9, другая часть энергии через волноводный переход подается на вращающуюся секцию с измеряе мой пластиной 2. Отраженная волна черезнаправленный ответвитель и детектирую щую секцию 7 подается на вход отраженнойволны индикатора Я 2 Р - 67.В общем случае, когда положение осей 10 тензора поперечной диэлектрической проницаемости и плоскости поляризации волны Н 1 р произвольно, представим падающую волну в виде суммы двух волн. Поляризация одной иэ волн совпадает с главной осью 15 тензорэ, имеющего наибольшую величинудиэлектрической проницаемости, поляризация другой совпадает с другой осью тен- зора Оп 1 п = Оп(1 хсоз О+ 1 уз 1 п О), (2),где 1 и, 1 х, 1 у - единичные векторы;О- угол между векторами 1 п и 1 хКомплексные коэффициенты отражения 25 волн с различной поляризацией вычисляются с помощью формулы(3) где Гостранения волны Н 1 новоде;Г - постоянные волн с первой и втор новоде, заполненном которме в ютарвом пр ся соотнесениями спром волпостоянная р незаполненн распространения для й поляризацией в воланизотропной средой, ближении определяют-Я, (4)- )1 к- ризация отра:й+й кЙ. Ь(О Амплитуда и поллны равна нн О+ 1 у(гз й О(5 и 1 хй 1 со Так как поляризация вол ся прямоугольным волновод дэ отраженной волны в и вол новоде равнаы определя м, то ампли ямоугольн 82 зп 20), (6 э модуль ко ициента отраженияй 1 СоЗ Э+ йгЗп 2 ОАнализ выражения (7) с учетом (3) показывает, что модуль коэффициента отражения и связанного с ним значения Ксгч - (1 +Я )/(1 -й) принимает минимальные значения при условиях 0=0Г 1 б =Л(9) Из условий (8) и (9) и формулы (4) получим соотношения (1), связывающие частоты минимума Кстч и диэлектрические проницаемости ех и еуТаким образом на экране индикатора Я 2 Р - б 7 в общем случае наблодается характеристика Кст, 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 Ксч от частоты совпадает с кривой 12. Согласно условиям (8) и (9) эти два поло. кения соответствуют случаям, когда главные оси тензора диэлектрической проницаемости ортогональны широкой стенке прямоугольного волновода. По наименьшей и наибольшей частотам минимума Кстч с помощью соотношений (1) определяем величины еи еу в.направлениях по главным осям поперечных компонент тензора диэлектрической проницаемости,Использование предлагаемого способа измерения диэлектрической проницаемости позволяет по сравнению с существующими увеличить точность и чувствительность измерения величин поперечной анизотропии и положения главных осей тензора диэлектрической проницаемости,Формула изобретенияСпособ измерения диэлектрической проницаемости материалов, заключэ 1 ощийся 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 углуповорота в момент достижения экстремальных значен й и расчете значения поперечной аниэотропии диэлектрической проницаемости, о т л и ч а ю щ и й с я тем, 15 что, с целью повышения чувствительности иточности измерений поперечной анизотропии, облучение диэлектрического образца электромагнитной волной осуществляют путем возбуждения несимметричной волны 20 Нотр в круглом вол новоде, 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 Кстч, а расчет значений попереч ной анизотропии диэлектрической проницаемости осуществляют по формулам:ех = О(1 + 1/а) + сг(1 - 1/а); 35 яу = е 1(1 - 1/а) + яг(1 + 1/а); 40где б - толщина пластины, см;К - радиус круглого волновода, см;Ир - корень уравнения 1 ( вр)-0;1 - производная функция Бесселя; С - скорость света, см/с;11, 1 г - измеренная минимальная и максимальная частоты, Гц.акто тыль каз 2995 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГК 113035, Москва, Ж. Раушская наб., 4/5 изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101