Способ измерения диэлектрических потерь

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ, включанлций амплитудную модуляцию потока электромагнитного излучения субмиллиметрового диапазона поочередным введением в него с фиксированной частотой исследуемого и сравнительного образцов, измерение переменной составляющей 1 интенсивности отраженного от образцов излучения и определение по результатам измерений диэлектрических потерь,, отл и ч а ющи и с я тем, что, с целью повышения точности измерений , исследуемый образец оптически соединяют с эталонным зеркалом, в качестве сравнительного образца используют не перекрытую исследуемым образцом часть зеркала, дополнительно модулируют поток электромагнитного излучения введением в игго с той же частотой неперекрытой части зеркала, измеряют переменную составляющую Q отраженного при этом излучения, а диэлектрические потери определяют из соотношения Сз; м )- , foit т JQJ (Л где f Ф 2 tr nd л n - показатель преломления диэлектрического образца, ci - толщина диэлектрического об-. разца; f - коэффициент отражения зеркала; - длина волны излучения j 8 - угол диэлектрических потерь.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

09) (111 1 11 G 01 и 21/41

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHO5IIV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР пО ДЕЛА@ 3 =TEH é И ОТНРЫТИЙ (21) 3617406/18-25 (22) 29.06.83 (46) 23.10.84. Бюл. N! 39 (72) Н.И.Фурашов, К.Е.Роговцев и С.И.Чермянин (71) Горьковский ордена Трудового

Красного Знамени научно-исследовательский радиофизический институт (53) 539.24 (088.8) (56) 1. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М., Физмат, 1963, с. 291.

2. Жуков А.И., Мериакри В.В., Шарф N.N. Квазидвухканальный спектрометр миллиметрового и субмиллиметрового диапазона волн. — ПТЭ, 1969 }Ф 2, с . 136-137 (прототип) . (54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ, включающий амплитудную модуляцию потока электромагнитного излучения субмиллиметрового диапазона поочередным введением в него с фиксированной частотой исследуемого и сравнительного образцов, измерение переменной составляющей

J интенсивности отраженного от образцов излучения и определение по результатам измерений диэлектрических потерь,. отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, исследуемый образец оптически соединяют с эталонным зеркалом, в качестве сравнительного образца используют не перекрытую исследуемым образцом часть зеркала, дополнительно модулируют поток электромагнитного излучения введением в пего с той же частотой неперекрытой части зеркала, измеряют переменную составляющую отраженного при этом излучения, а диэлектрические потери определяют из соотношения

4(3= г — (sin Ф+n со Ф1-i(n -1}sin Ф

Г 1 л г 1 1 3 2nt} 3„ О где = 1-r

27 nd . h и — показатель преломления ди-, Я электрического образца, с} — толщина диэлектрического образца, г — коэффициент отражения зеркал а," h — длина волны излучения, 3 — угол диэлектрическпх потерь.

1120 t0

Изобретение относится к технике измерений на субмиллиметровых волнах и предназначено для измерения потерь в высококачественных диэлектрических материалах. 5

Известен способ определения диэлектрических потерь твердых материалов путем измерения коэффициента пропускания исследуемого образца при падении на него излучения под углом Брюстера P) .

Недостатком данного способа является невысокая точность определения диэлектричесКих потерь слабопоглощающих материалов. t5

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ измерения диэлектрических потерь, включающий амплитудную модуляцию потоюа электромагнитного излуче- 29 ния субмиллиметрового диапазона поочередным введением в него с фиксированной частотой исследуемого и сравнительного образцов, измерение

Переменной составляющей 3 интенсив- 25 ности отраженного от образцов излучения и определение по результатам измерений диэлектрических потерь.

Кроме того, по известному способу регистрируют также прошедший через З0 образцы поток излучения и выделяют его переменную составляющую интенсивности, пропорциональную разности коэффициентов пропускания исследуемого и сравнительного образцов f2) .

Недостатком известного способа измерения является низкая точность измерения малых диэлектрических потерь, обусловленная тем, что для его реализации необходим сравнительный образец с точно известными малыми диэлектрическими потерями и поКазателем преломления. В настоящее время такие эталоны пля субмиллиметрового пиапазона волн неизвестны так как неизвестен способ точного измерения малых диэлектрических потерь.

Кроме того, в диэлектрических образцах с малыми потерями существуют осцилляции коэффициентов пропускания и отражения с периодом, зависящим от И, d и h, где 0 — показатель преломления, d — толщина образца, - длина волны. Вследствие этого выходной сигнал приемника обусловлен H не столько разностью коэффициентов поглощения исследуемого и сравнительного образцов, сколько различи223 2 ем их показателей преломления и периодов интерференционной осцилляции коэффициентов пропускания и отражения. Даже при существовании сравнительного образца с известными малымн диэлектрическими потерями для удовлетворительной точности измерений по этому способу необходимо, чтобы коэффициенты пропускания сравнительного и исследуемого образцов на рабочей длине волны имели максимальные значения. Это условие может быть обеспечено только очень высокой точностью обработки образцов. Например, чтобы систематическая ошибка измеряемого сигнала, обусловленная отличием па величины — от требуемого значения

9 не превышала 57., при и = 2, = 1 мм, 5 мм и k = 10 (М вЂ” показатель

-Ч поглощения образца), отличие значепо ния — — от требуемого как для исследуемого, так и для сравнительного образца не должно превышать 0,04Х

Это значит, что образец толщиной

5 мм должен иметь допуск по толщине ЬJ = 2 мкм, что значительно выше точности обработки по первому классу (68 = 8 мкм) . Увеличение допуска на толщину образца приводит к резкому снижению точности измерений.

Цель изобретения — повышение точности измерений диэлектрических гготерь.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения диэлектрических потерь, включающему амплитудную модуляцию потока электромагнитного излучения субмиллиметрового диапазона поочередным введением в него с фиксированной частотой исследуемого и сравнительного образцов, измерение переменной составляющей 3 интенсивности отраженного от образцов излучения и определение по результатам измерений диэлектрических потерь, исследуемый образец оптически соединяют с эталонным зеркалом, в качестве сравнительного образца используют не перекрытую исследуемым образцом часть зеркала, дополнительно модулируют поток электромагнитного излучения введением в него с той же частотой неперекрытой части зеркала, измеряют переменную составляющую 3о отраженного при этом излу1120?23 4 чения, а диэлектрические потери определяют из соотношения

ted(= г — р п Ф n cos 9)- (n-oisin Ф) .(1 Г 1 / 1 г г л г, 5 где = 1 — г ,р 2 ll rl3 h

A — - показатель преломления диэлектрического образца, 3 — толщина диэлектрического образца, — коэффициент отражения зеркала

% — длина волны излучения;

Π— угол диэлектрических потерь.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, на фиг. 2 и 3 крайние положения зеркала с образцом относительно потока излучения при модуляции.

° Устройство содержит субмиллиметровый генератор 1, делитель 2 потока излучения, диафрагму 3, модулятор 4 и приемник 5. Модулятор 4 содержит диэлектрический образец б,плоское зеркало 7, каретку 8, кривошипношатунный механизм 9, электродвигатель 10 с редуктором и датчик 11 опорного напряжения. Приемник 5 содержит квадратичный детектор 12, усилитель 13, синхронный детектор 14 и индикатор 15.

Генератор 1 предназначен для формирования близкого к параллельному потока электромагнитного излучения субмиллиметрового диапазона. В качестве генератора 1 используются субмиллиметровый оптический кванто4О вый генератор или лампа обратной волны. Диэлектрический образец 6 представляет собой плоскопараллельную пластину и характеризуется соотношением kg с< 1, где k — коэффициент по45 глощения, d — толщина образца.

30

Диэлектрический образец 6 закреплен на поверхности плоского зеркала

7 так, что они находятся в оптичес- 50 ком контакте, т.е. зазор 1 между образцом 6 и зеркалом 7 и длина электромагнитного излучения находят° ся в соотношении h « Ъ .

Электродвигатель 10 с помощью кривошипно-шатунного механизма 9, соединенного с осью 16 каретки 8, обеспечивает возвратно-поступательное движение с частотой F плоского зеркала 7 с диэлектрическим образцом

6 (фиг. 2) .

Электродвигатель 10 с помощью кривошипно-шатунного механизма 9, соединенного с осью 17 каретки 8, обеспечивает возвратно-поступательное движение с частотой Р плоского зеркала 7 с диэлектрическим образцом 6 (фиг.3) .

Предложенный способ реализуется следующим образом.

С помощью генератора 1 формируют поток излучения, а с помощью делителя 2 осуществляют отделение части потока излучения, которую используют для контроля стабильности мощности или для измерения длины волны.

Поток излучения модулируют по амплитуде поочередным введением в него диэлектрического образца 6, находящегося в оптическом контакте с зеркалом 7, и зеркала 7 без образца 6. Для этого с помощью диафрагмы 3 ограничивают поперечные размеры потока излучения, прошедшего через делитель 2. Плоское зеркало 7 модулятора 4 с закрепленным на части его отражающей поверхности диэлектрическим образпом 6 с помощью каретки 8 и кривошипно-шатунного механизма 9 совершает возвратно-поступательное движение с частотой F, задаваемой электродвигателем 10. Крайние положения плоского зеркала 7 с диэлект- рическим образцом 6 относительно потока излучения приведены на фиг.2.

TIp этом в первую половину периода модуляции поток излучения после диафрагмы 3 пропускают через образец

6 и отражают с помощью зеркала 7.

Отраженный поток излучения вновь пропускают через образец 6. Ослабленный вследствие двойногб прохождения через образец 6 поток излучения через диафрагму 3 поступает на делитель 2 потока, с помощью которого осуществляют отделение части потока излучения к приемнику 5. Во вторую половину периода модуляции поток излучения после диафрагмы 3 отражают с помощью зеркала 7 без образца 6 и передают через диафрагму 3 на делйтель 2 потока, с помощью которого осуществляют отделение части потока излучения в приемник 5.

1120223

Выделяют переменную составляющую интенсивности принятого излучения.

Для этого с помощью квадратичного детектора 12 приемника 5 осуществляют детектирование амплитудно-модулиро- 5 ванного излучения. С помощью усилителя 13 усиливают сигнал с выхода детектора 12, а с помощью синхронного детектора 14 осуществляют выделение переменной составляющей 1 интенсивности из выходного напряжения усилителя 13. Опорное напряжение с частотой P для синхронного детектора 14 формируют с помощью датчика

11 модулятора 4, регистрацию сигнала .1 осуществляют с помощью индикатора

15. Коэффициент отражения системы образец 6 — зеркало 7, а следовательно, и измеряемая величина периодически меняются с увеличением отношеncI ния — из-за интерференции излучения

Э

1 многократно отраженного от передней поверхности диэлектрической пластины и зеркала, В общем случае, т.е. при произвольном значении отношения

nd — связь между диэлектрическими

Я потерями tgS и переменной составляющей 3 интенсивности принятого излу- ЗО чения выражается соотношением гпе С = const

М вЂ” мощность излучения генератора

Для определения неизвестной величины произведения осуществляют модуляцию потока излучения генератора

1, прошедшего через делитель 2, введением в него с частотой F только плоского зеркала 7. При этом с помощью диафрагмы 3 ограничивают поперечные размеры потока излучения, прошедшего через делитель 2. Плоское зеркало 7 модулятора 4 с закрепленным на части его отражающей поверхности диэлектрическим образцом 6 с помощью каретки 8 и кривошипно-шатунного механизма 9 совершает возвратно-поступательное движение с частотой F, задаваемой электродвигателем 10. Крайние положения плоского зеркала 7 с диэлектрическим образцом 6 относительно потока излучения приведены на фиг.З. При этом в первую половину периода модуляции потока излучения после диафрагмы 3 отражают с помощью зеркала 7 без образца 6 и передают через диафрагму 3 на делитель 2 потока, с помощью которого осуществляют отделение части потока излучения к приемнику 5. Во вторую половину периода модуляции поток излучения после диафрагмы 3 проходит над зеркалом

7 без отражения. При этом сигнал на входе приемника 5 отсутствует. е

Прием амплитудно-модулированного излучения осуществляют с помощью приемника 5.

Выделяют переменную составляющую о интенсивности принятого излучения. Для этого с помощью детектора

12 приемника 5 осуществляют детектирование амплитудно-модулированного излучения. С помощью усилителя 13 усиливают сигнал с выхода детектора

12, а с помощью синхронного детектора 14 осуществляют выделение переменной составляющей За интенсивности из выходного напряжения усилителя

13. Опорное напряжение с частотой

F для синхронного детектора 14 формируют с помощью датчика 11 модулятора 4, регистрацию сигнала 30 осуществляют с помощью индикатора 15.

В этом случае 1 = СЮго, По измеренным значениями и „ определяют диэлектрические потери

4g 8 из соотношения (1) .

В частном случае реализации предложенного способа толщина Д диэлектрического образца б удовлетворяет соотношению

Ъ

nd =)%

) где m — целое число.

Поэтому существует более простая связь между потерями (8 в диэлектрическом образце и переменной составляющей 3 интенсивности принятого излучения:

3 -с5 ф

4 3

- Переменная составляющая Зо принятого излучения, как и в общем случае, имеет вид: 3> = /Ver, По измеренным значениям и 3z определяют диэлектрические потери в образце б из выражения

1120223 (4) 10

При использовании высокоотражающего зеркала 7, для которого отличием значения 1 от единицы можно пренебречь, потери в образце 6 определяют из выражения

Предлагаемый способ обеспечивает определение диэлектрических потерь

4f 3 на основании измерений перемен.ной составляющей 1 интенсивности принятого излучения. Величина определяется в основном характеристикой поглощения исследуемого образца и может быть измерена с высокой точнос-. тью. Следствием этого является более высокая точность определения tg О предложенным способом по сравнению с известными. Достижению высоКОЙ тОчнОсти измерения tg S предло 25 женным способом способствует увеличение допуска на толщину исследуемого обр аз ца .

Для реализации той же точности измерения с«гнала при тех же значениях п, 3, Q u k что и в примере, рассмотренном для «эвестного способа, в результате расчетов получаем допустимую относительную опмбку знаnd чения, равную 0,4Х что свидетельствует о снижении требований к точности обработки исследуемого об-: разца в 10 раэ.

Таким образом, модуляция потока излучения по амплитуде поочередным введением в него образца, находящегося в оптическом контакте с зеркалом, и зеркала беэ образца и последующая амплитудная модуляция потока излучения введением в него с той же частотой только зеркала обеспечивают при регистрации амплитудно-модулированного сигнала определение абсолютных значений малых диэлектрических потерь с повышенной точностью. Кроме того, предложенный способ измерения диэлектрических потерь исключает необходимость использования сравнительных образцов с точно известными характеристиками пропускания и отражения.

1120223

Составитель С. Голубев

Техред Л.Инкеш Корректор ОЯилак

Редактор А.Козориз

Филиал ППП "Патент", г ° Ужгород, ул . Проектная, 4

Заказ 7731/31 Тираж 822 Подписное

BIHHIIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5