Способ и устройство для определения коэффициента преломления плоских образцов диэлектрика в свободном пространстве

Свез Сфветскнк Се 4 иалистическни РесттублнкОп ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ С ТИЛЬСТВУ и 1857799(61) Дополнительное к авт. с (22) Заявлено 26.11,79 (21 с присоединением заявки Йо (23)ПриоритетОпубликовано 23.08.81(51) М КЗ 40/18-2 С 01 й 21/41 Государственный коинтет СССР по делан изобретений и открытий(54) СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПЛОСКИХ ОБРАЗЦО ДИЭЛЕКТРИКА В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ тромагнитных ко 30 Изобретение относится к технической физике и может быть использованодля измерения коэффициента преломления плоскопараллельных образцов естественного и искусственного диэлектриков в свободном пространстве в широком диапазоне частот.Известны способ и устройство,используемые для измерения коэффициента преломления плоских образцов диэлектрика в свободном пространст-,ве Г 11.Этот способ основан на измерениичастоты и разности фаз электромагнитных колебаний, распространяющихся всвободном пространстве и в испытывае-.мом диэлектрике.Если образец диэлектрика расположен перпендикулярно направлению распространения поля, то коэффициентпреломления вычисляется по формулеп 1+1 И)С 4ааагде д - толщина испытываемого образца;9 - фазовый сдвиг электромагнит"ных колебаний,Г - частота элеклебаний; с - скорость распространенияэлектромагнитных колебаний в свободном пространстве.Однако данный способ не позволяет выполнять измерение коэффициента преломления образцов диэлектрика толщиной более одной длины волны, поскольку электрическая толщина образца здесь определяется с точностью до целого числа волн, укладывающихся в толщине образца. Поэтому при измерении необходима предварительная информация о порядке величины коэффициента преломления образца, которая на практике часто отсутствует.Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности являются способ и устройство для определения коэффициента преломления плоских образцов диэлектрика в свободном пространстве.Способ также основан на измерении частоты и разности фаз электромагнитных колебаний, на каждой фиксированной частоте, распространяющихся в, свободном пространстве и искусственном диэлектрике. Сдвиг фазы сигналов, прошедших через испытываемый образец и свободное пространство, в общем случае равен некотороМу целому числугде ф и О - Фазсвые сдвиги для образцов. 25Этим способом можно определить ко-.эффициент преломления образцов диэлектрика любой толщины и произвольным показателем преломления при условии, что при изменении толщины образца от д 1 до д 7 выполняется соотношение.1-У 7 ( 2%.Способ предполагает наличие двухобразцов диэлектрика (со строго одинаковыми коэффициентами преломления)раэличной толщины д и д 7, Толщиныди д 7 образцов должны удовлетворятьнеравенству, в котором -9 )27 Г,поэтому и здесь необходимы априорныеданные о величине коэффициента преломления. Каждый цикл измерений козффициента преломления должен проводиться на Фиксированной частоте,чтоне позволяет автоматизировать измерение коэффициента преломления в диапазоне частот, а сам процесс измерений сравнительно трудоемок, особеннопри измерении крупногабаритных и тяжелых образцов диэлектрика,Устройство для осуществления этого способа содержит измерительную 30схему, приемную и передающую антенны,установленные с двух сторон образца.Точность измерения коэффициентапрелоМления определяется точностьюизмерения частоты генератора и стабильностью его частоты, точностью5иэмеФзния толщины образца диэлектрика с помощью измерительной линейки,точностью определения положения перемещаемого рупора и точностью определения положения минимума стоячей волны в волноводе, которое обычно осуществляется с помощью метода вилки,Кроме этого, точность измерений зависит от положения образца диэлектрика между антеннами, наличием переот 5 длин волн в и остаточному фазовомусдвигу 2 Г. Коэффициент преломлениявычисляется по формулен:1 - ( е).1 дС Яд 1 21Таким образом, для вычисления коэффициента преломления необходимо определить не только частоту поля Г и фазовый сдвиг 9, но и количество целых длин волн п, укладывающихся в толщине испытываемого образца диэлектрика. Определение щ осуществляется с помощью небольших изменений толщины образца, приводящих лишь к некоторому изменению остаточного фазового сдвига 9 на фиксированной час 15 тоте.Для измерения в используют два образца толщиной д 1 и д 7, причем дд .Число я вычисляется по форму 720где и - коэффициент преломлениясвободного пространства,9 - угол падения электромагнитного поля, отсчитываемый от нормали к поверхности образца, град;Г - 1-ая частота внутре о1резонанса, Гц,2, - номер частоты внутреннего резонанса, начиная сминимальной частоты,д - толщина образца, см;с - скорость распространенияэлектромагнитного поляв свободном пространстве, см/с;Е1 - целая часть числа,В устройстве для осуществленияданного способа, содержащем измерительную схему, приемную и передающуюантенны, установленные с двух сторонобразца, приемная и передающая антенны установлены неподвижно, а в измерительную схему дополнительно введены генератор качающейся частоты,соединенный через делитель мощности спередающей антенной, и устройство регистрации поля в полосе качания частоты, к одному из входов которого через делитель мощности, аттенюатор идетекторную секцию подключен генера.рр, а к другому входу подключена ннег ражений в системе и от окружающихизмерительный стенд предметов 21.Однако в связи с тем, что способпредполагает измерение положения минимума стоячей волны в волноводе безиспытуемого образца и с образцом,картина дифракционных полей изменяется при каждом новом цикле измерений,что существенно снижает точность измерений. Оценка относительной среднеквадратической ошибки измерений даетвеличину не менее 7-10,Цель изобретения - ускорение и повышение точности измерений в заданном диапазоне частот, упрощение конструкции.Поставленная цель достигается тем,что согласно способу определения коэффициента преломления плоских образцов диэлектрика в свободном пространстве, основанному на измерении частоты электромагнитного поля, измеряют, по крайней мере, три последовательно расположенных частоты 1 внутреннего резонанса образца, соответствующие максимальной и минимальнойпрозрачности, а коэффициент преломления п определяется с помощью выраже 1ниячерез детекторную секцию, приемнаяантенна.На фиг. 1 представлена блок схемаустройства; на фиг. 2 и 3 - дисперсионные зависимости коэффициента преломления п(Г) и коэффициента прохождения поля Т(Г) образца диэлектрика(кривые 12 и 13 соответственно).Величинами обозначены значениячастот внутреннего резонанса образца,соответствующие максимальной и минимальной прозрачности. Закон преломления, в данном случае, принят нормальным.Сигнал от генератора 1 качающейсячастоты разветвляется на две частиделителем 2 мощности. Одна часть излучается передающей антенной 3 (например, рупором), другая часть черезпрецизионный аттенюатор 4 и детекторную секцию 5 подается на индикаторноеустройство б с самописцем 7 и служит 20опорным сигналом, Высокочастотныйсигнал, излученный антенной 3, проходит через образец диэлектрика 8 ипринимается приемной антенной 9 (например, рупором). 25Принятый сигнал через детекторнуюсекцию 10 также подается на индикаторное устройство б, Пространство,в котором расположен испытываемыйобразец экранированно поглощающимматериалом 11 для уменьшения влиянияпереотражений на точность измерения.Генератор и индикаторное устройствоохвачены синхронизацией. Если наоткалиброванный стенд устанавливается испытываемый образец диэлектрика,то индикаторное устройство с помощьюсамописца и осцилографа (не показаны)фиксирует величину прошедшего черезобразец поля в полосе качания частоты,а также частоты внутреннего резонанса образца (частоты максимальнойи минимальной прозрачности), При необходимости процесс измерений можетбыть полностью автоматизирован.Приэтом результаты измерения частотвнутреннего резонанса подаются непосредственно на ЭВМ, где происходитих соответствующая обработка, определение величины коэффициента преломления на резонансных частотах играфическое построение дисперсионныхзависимостей (в диапазоне частот) коэффициента преломления в заданноммасштабе,КоэФфициент преломления образцаи на любой резонансной частоте Фв заданном диапазоне частот опреде 1ляют из следующих соображений. Начастоте внутреннего резонанса модулькоэффициента прохождения образцат(Г 1 ) 60 где д с11,2., -Учитывалиуса в 61 в 6 "-и (9)Мп 6, ( 6)где и - коэффициент преломления свободного пространства,0 - угол падения электромагнитного поля, отсчитываемый отнормали к поверхности образца, град.Из форлулы (5) находими = .( в 1 юф 9+( с ) р .(л)о 4 ЖЧисло четвертей длин волн Р, укладывающихся в образце, определяется наоснове измерения трех произвольныхпоследовательных значений частот внутреннего резонанса, начиная, например, с минимальной. Это исключает необходимость иметь в наличии два образца диэлектрика различной толщины.Определение числа Р осуществляется следующим образом.Пусть измерены значения коэффициента преломления в трех последовательных точках на частотах 11,Г,1,внутреннего резонанса. На отрезкахГ, Ги 1, 1 з 3 коэффициент преломления изменяется на величину дп(1) .Если на частоте 1 на толщине испытыгваемого образца укладывается Р чет-вертей волн, можно записатьМИ)=нЛД-и 8,)=ир ),-и Я,): гг. гг2 г 1 а у-фвас р+гг гт с я(4) гдес(.=п(6)дсоьФ 9 - угол преломлений,град;и (9 ) - коэффициент преломления образца,2 и 2 - нормальные импедансы свободногопространства иобразца диэлектрика соответственно принимает свое максимальное (равное 1 без учета потерь) или минимальное значение. Это происходит лишь в том случае, когда выполняется соотношение"ф 9 4 толщина образца, см; скорость распространения электромагнитного поля в свободном пространст" ве, см/с;1-ая частота внутреннего резонанса, Гц;номер частоты внутреннего резонанса, начиная с минимальной частоты, целое число четвертей длин волн, укладывающихся в образце диэлектрика на частотея закон преломления СнелС,яОР 1)СОВА-----4а Ь,И-,Р= (9) Уь а А5 Число Р определено на частоте Г,Поэтому коэффициент преломления образца на произвольной -.ой частоте внутреннего резонанса определяется иэ соотношения О -ф 4 Ф"(4 Л 6 ц 4;д М;Ио)где Е)- целая часть числа. 15В измерение частот 1 вносятся по 4грешности, расчетная величина Р неявляется целым числом, а отличаетсяот него в меньшую или большую сторону. Поэтому при определении числа Р 20следует брать целую часть Е 1, равную наиближайшему целому. Более просто, но менее точно число Р определяют по двум значениям частотОтличие предлагаемого устройства1от известного состоит в том, что впроцессе измерений н диапазоне час. -тот не требуется передвижение приемной нли передающей антенн, сниматьсо стенда и устанавливать на стендиспытываемый образец. Картина дифракционных полей между передающей иприемной .антеннами практически неизменяется (для каждого фиксированного значения частоты), Облегчаетсяи возможность полной экранировки про- З 5странства измерений поглощающим материалом.(антенны и образец неподвижны), что исключает влияние переотражений от частей стенда и других предметон на результаты измерений. 40Сам процесс измерений, таким образом, сводится к измерению частотмаксимальной и минимальной прозрачностн образца диэлектрика в заданномдиапазоне частот. 45В предлагаемом устройстне, н отличие от известного, н измерительнуюсхему дополнительно введены генератор качающейся частоты и устройстворегистрации прошедшего через испытываемый образец поля в полосе качания.В устройстве отсутстнует подвижная каретка с микрометрическим винтомдля перемещения одного иэ рупоров,Таким образом снижается трудоемкостьпроцн)сса, Данные с устройства регистраци 4 непосредственно вводят в Эвмдля обработки и определения коэффициента преломления образца диэлектрика и диапазоне частот,Использование предлагаемого спосо- еОба и устройства для измерения коэффициента преломления образцов диэлектрика обеспечивает по сравнению с известными способами следующие преимущества: 653. Уменьшаются:трудозатраты на цикл измерений коэффициента преломления.4. Появляется чоэможность автоматизировать процесс измерений с использованием вычислительной техники. 5. Определение дисперсии коэфф иц ента преломления образцов естестивенных и искусственных диэлектрик овироком диапазоне частот за один цикл измерений. Формула изобретения 1. Способ определения коэффициента преломления плоских образцов диэлектрика в свободном пространстне,основанный на измерении частотыэлектромагнитного поля, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с цельюускорения и повышения точности измерений в заданном диапазоне частот,измеряют, по крайней мере, три последовательно расположенных частоты ;внутреннего резонанса образца, соответствующие максимальной и минимальной прозрачности, а коэффициент преломления п определяют с помощью выражения пр го коэффициент ния свободн ранства, - угол паденимагнитного тываемый от поверхности г омле- ростэлектроля, отсчиормали кбраэца,град,(-ая чнего р тота внутрен онанса, Гц; 1. Отсутствует необходимость периодически снимать и устанавливать образец на стенд, перемещать одну из антенн н пространстве, а также проводить цикл измерений на одной фиксированной частоте, что ускоряет процесс измерения коэффициента преломления в заданном диапазоне частот.2. Повышается точность измерения коэффициента преломления, так как весь процесс измерений сводится к измерению частот внутреннего резонанса образца, что с помощью современной аппаратуры может быть сделано с высокой точностью (до 1-2%). Отсутствуют погрешности, возникающие из-за перераспределения картины дифракционных полей вследствие перестановки образца диэлектрика и смещения одной из антенн в пространстве в процессе измерений.10 857799 11 1,2. - номер частоты внутреннего резонанса, начиная с минимальной частоты;д - толщина образца, см;с " скорость распространения электромагнитногополя в свободном пространстве, см/с;Е- целая часть числа.2. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее измерительную схему, приемную и передающую антенны, установленные с двух сторон образца, о т л н ч а ю щ е е с я тем, что приемная и передающая антен" ны установлены неподвижно, а в изме" 3 рительную схему дополнительно введены генератор качающейся частоты,соединенный через делитель мощности спередающей антенной, н устройстворегистрации поля в полосе качаниячастоты, к одному иэ входов которогочерез делитель мощности, аттенюатори детекторную секцию подключен гене"ратор, а к другому входу подключена,через детекторную секцию, приемнаяантенна. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе1. Валитов Р.А, и Сретенский В.Н. Радиоизмерения на сверхвысоких частотах. М., 1951, с. 370.2 Врандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М., Госуд. изд-во физико-матем.лит-ры, 1963, с. 304..2 Составитель В. ОртаевРедактор Н, Рогулич Техред А. Бабинец КорректорМ. Пожо ПодпиСССР лиал ППП фПатентф, г. ужгород, ул. Проектна каз 7230/70 ВНИИП по 1130