Свч-измерительная ячейка
Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в цвухчастотной СВЧ-измерительной ячейке для измерения параметров диэлектриков. Целью изобретения является повышение точности измерения в диапазоне двух кратных частот. Эта цель достигается частичным совмещением цилиндрического объемного резонатора и резонатора Фа бри-Перо. Это обеспечивает независимую перестройку частоты резонаторов и установку требуемой частотной дисперсии частично совмещенного резонатора в широком диапазоне частот , что приводит к повышению точности измерений параметров диэлектриков в диапазоне двух кратных частот 2 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
P ЕСПУ БЛИК (s11s G 01 N 22/00
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
Г1РИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4788948/09 (22)) 31.01,90 (46) 30,12.91. Бюл, ¹ 48 (71) Восточно-Сибирский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (72) Е.П.Мецнер (531 621.317.335.3 (088.8) (56) Приборы и техника эксперимента. 1984, N6,,с.125-126.
Авторское свидетельство СССР
¹ 1552125, кл. С 01 N 22/00, 1988, (54) С В Ч-ИЗ М Е РИТ ЕЛ Ь НАЯ Я Ч Е Й KA
Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может использоваться в установках для исследования параметров диэлектриков.
Известна измерительная ячейка, входящая в установку для измерения диэлектрических параметров газов на частотах в диапазоне 9 и 36 ГГц.
Выбор точной кратности частот обьясняется тем обстоятельством, что в этом случае достигается наибольшая точность измерений.
Указанная измерительная ячейка содержит двухмодовый резонатор Фабри-Перо, в котором возбуждается тип колебаний
TEMp<)q (q = 6) на нижней частоте (9 ГГц) и тип колебаний ТЕМяя (q = 27) на верхней частоте (36 ГГц).
Установлено, что при увеличении кратности частот (n> 4) собственная частотная дисперсия двухмодового резонатора увеличивается до 50-100 МГц, а также возрастает
„, . Ы„„1702263 Al (57) Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в двухчастотной СВЧ-измерительной ячейке для измерения параметров диэлектриков, Целью изобретения является повышение точности измерения в диапазоне двух кратных частот. Эта цель достигается частичным совмещением цилиндрического объемного резонатора и резонатора Фабри-Перо. Это обеспечивает независимую перестройку частоты резонаторов и установку требуемой частотной дисперсии частично совмещенного резонатора в широком диапазоне частот, что приводит к повышению точности измерений параметров диэлектриков в диапазоне двух кратных частот. 2 ил. количество высших типов колебаний. При п
= 4 с учетом снятия поляризационного вырождения имеется четыре высших типа колебаний, а при n = 6 это количество возрастает до шести и т.д. Эти обстоятельства усложняют селекцию необходимого типа колебаний. Следует отметить, что достаточно большие размеры двухмодового резонатора (диаметр 200 и высота 200 мм) усложняют термостатирование измерительной ячейки, Наиболее близкой к предлагаемому является ячейка, отличительной особенностью которой является полное совмещение цилиндрического закрытого СВЧ-резонатора и резонатора Фабри-Перо. При этом
СВЧ-измерительная ячейка на нижней частоте возбуждается как цилиндрический закрытый СВЧ-резонатор, а на верхней частоте — как резонатор Фабри-Перо.
Основным недостатком указанной СВЧизмерительной ячейки является значительi 702263 ная зависимость собственной частотной дисперсии от частоты настройки, что приводит к снижению точности измерения, Требуется обеспечить работу соответствующего СВЧ-смесителя в широком диапазоне частот в соответствии с величиной собственной частотной дисперсли, Очевидно, что в этом случае потери преобразования СВЧ-смесителя будут неодинаковыми а диапазоне изменения частотной дисперсии двухмодового резонатора. Это приведет к увеличению погрешности измерения при возрастании величины частотной дисперсии.
Оценим зависимость собственной частотной дисперсии даухмодового резонатора при условии возбуждения в нем типов колебаний в соответствии с описанием
СВЧ-измерительной ячейки, взятой а качестве прототипа.
В СВЧ-измерительной ячейке используются типы колебаний Но>> на нижней частоте (8,1-8,4 ГГц) и TEMooq на верхней частоте (53-78 ГГц).
Известны выражения для расчета резонансных частот соответствующих резонаторов: закрытый цилиндрический резонатор (частота 1,) с н =2 (/)
fB = z d (q+(2р+1+1) — ä агссоз(1- — b)), (2)
1 г1 где с — скорость света в вакууме; г1 — рассто.яние между зеркалами; Ь вЂ” радиус кривизны зеркала; р, 1, q - радиальный, азимутальный и продольный индексы колебания, Собственная час.отная дисперсия двухмодоаого резонатора f=fB=п н, (3) где п — выбранная кратность частот.
Очевидно, что для некоторых частот легко выполняется условие Л f = О, Рассмотрим, как будет изменяться собственная частотная дисперсия Af при перестройке такого двухмодовсго резонатора. Отметим, что в соответствии с принципом полного совмещения двух резонаторов имеет место равенство L = d.
Легко показать, что (4) i c
d(d$ d ".à ъь, Q : (Б)
1- -Ь 1
В соответствии с материалами ячейкипрототипа примем для типа колебаний Но 1:
5 R=-24 и =47,6мм, тогда 1) =8,25 ГГц. Для типа колебаний TEMooq: Ь = 60, d = 47,6 мм;
q = 18; ft, = 58.06 ГГц. При этом кратность частот n = 7, т,е. собственная частотная дисперсия двухмодоаого резонатора в соответ .0 ствии с cooTHolUGH)/IGM (3) составляет h,f =
310 МГц.
Поставив соответствующие параметры а выражения (4) и (5) и учитывая, что Aot =3,832, получим о)н — -29,6 мгц/MM ц — т — = -1l97 о в
МГц/мм, Тогда легко получить, что собственная частотная дисперсия даухмодового резона20 тора изменяется в зависимости от длины резонатора с крутизной
= -990 МГц/мм, d Af
dL
Таким образом, при изменении длины
25 СВЧ-резонатора на 1 мм собственная частотная дисперсия Л f изменится на 990 MГц и составит более 1200 МГц, что приведет к значительным труднос ям в измерении этой частоты v, сни) <ению точности этих иэмере30 ний, Отметим, что при увеличении радиуса цилиндра несколько ослабевает зависис! Af мость
dL, но крутизна все равно оста35 ется больше, чем 500 МГц/мм, Таким образом. измерительная ячейкапрототип пригодна для измерения дисперсии диэлектрических характеристик матерлалов лишь на отдельных частотах в
40 миллиметровом диапазоне. В частности. для резонатора с указанными размерами это участки частоты шириной 100-200 МГц, расположенные на частотах, отстоящих от указанной величины 58,06 ГГц на равные величины 3,15 ГГц, т.е. 61,21 ГГц (q = 19); 64,36
ГГц (ц =- 20); 67,51 ГГц (ц = 21) и т,д.
Следует отметить, что в случае работы
СВЧ-измерительной ячейки а режиме с большой собственной частотной дисперсией становится существенной температурная нестабильность величины Af. Так, очевидно, что для колебания Но<р в первом приближении имеет место ар = — а, где,ч — температурный коэффициент частоты; а) — температурный коэффициент линейного расширения материала, иэ которого изготовлен резонатор.
1702263
По аналогии с выражением (4) можно получить из выражения (1).
;Aflm <2
dfH <н R (А Г1 гп 12 + < iр г )2 р г (63 тогда, полагая, что ЛТ вЂ” изменение температуры резонатора и
ЛЕ=1 2ь гТ, и АР =К ci. h,Т, то получим следующее выражение:
А 1н = 1н аь h T, (<< откуда след ует, что й,"- =-. — ".L .
Для ко",85àíèÿ Т1ГЧ<> я В первом приближении можно па ожить поскольку перВое слагае иое 8 правой части выражения.(5) значительна превосходит Второе,:
Ь fg =- -fig аь . ЛТ, (8)
0Tcþäà следует 8 соо; ветствии с выражением (3), что температурный коэффициент собственной частотной дисперсии
ДВухмадОВОГО p830HBTop Овпадает Очевидна, что при больших значениях собственной частотной дисперсии точность измерен.;й уменьшается из-за возрастаюьцего влияния фл1актуац<ий температуры измерительной ячейки, Таким образом, большие значения собственной частотной дисперсии двухмодовога резонатора, присущие рассматриваемой конструкции, приводят к увеличению погрешности измерения как иэ-за усложнения работы соответствующего СВО<-смесителя, так и из-за возрастающего влияния нестабильности температуры измерительной ячейки. Цель изобретения — повышение точности измерения в диапазоне двух кратных частот. Указа",ная цель достигается тем, что в СВ +измерительную ячейку, содер>кащую цилиндрический корпус, первую торцовую стенку, имеющую сферическую поверхность, вторую торцовую стенку, имеющую сферическую поверхность, первь<й и второй элементы связи, третий и четвертый элементы связи, дополнительно введена перемещающаяся третья торцовая стенка, выполненная в форме кольца, расположенная внутри цилиндрического корпуса, образующая вместе с ним и первой торцовой стенкой цилиндрический резонатор. для возбуждения которого служат первый и второй элементы связи. В предлагаемой измерительной ячейке в отличие от прототипа вводится кольцевая торцовая стенка, обеспе"." IBBIoùà8 час1ичНос co 8! 1е< цзн!1е цил и ндричес КОГО а бьем на ГО резонатора и реэа1lатаса Фабри < ера. <г1эвестна использование i, èëf H,öpf<. ÷å5 ских объемных резонаторов с вь<сшими типам«1 колебаний, в частное;: 1.р11ме1;ение М-ги«oB с большими азимута;ьными индекСа !I I<, 1тo ОбстаЯтел1 стВО !IOГ<сльз1 ется Для 10 пслучениЯ прсДуваемь;х ссесимvBTpUI 3 занаторов с фиксиру1ашей ступенькой. В .ре<:л .ÃBBìoì устрайс BB использование В 1.ИЛИН,г,Р11ЧЕСКОК РЕэа НатСРЕ Н-тИПаВ С 61 ;!ь! им<1 азимутэльными индексами Г1ри15 Л-<г: <Т;:; 1-.а <1ЬИГ.1 схематически показан реэанатас; на фиг,2 — график азимутальной кзмпо20 HBН= ы электрического поля. В цилиндрическом обье, .1нам резона; opii8 13i. ерительнай ячейки используется высший тип колебаний Н-»р (в частности n = 5, р =- 1), а в резонаторе Фабри-Перо — основ2 ° най т1: и колебаний TEM,oq o частности q = 35), Высший тип колебаний H»I характеризуется тем, что электромагнитное поле внутри сезонатора концентрирует=я на сериа,ерии цилиндра, а 8 центральной обла30 сти — весь а слабое. А3èìóTàëüíàÿ компсне! TB электрического поля (фиг.2) паа"ooциональна функции .l< (х АВ1), зави1 симсстb которой ат нормированного радиу1 35 R са iõ =- — ) для и ==0-6, причем А21=3,054; А31 = 4,201; А41 = 5,318, А51 = 6,416; A81 = 7,501. Очевидно, что без заметного влияния на добротность резонатора с типом колебаний, например и;1;, в центре одной из его тор40 цовых стенок можно изготовить отверстие с диа::етром, равным R. Резонатор содержит цилиндрический корпус 1, перву1с торцову о стен.:;.у 2, вторую торцову,а стенку 3, первый и в-.арой элемен45 Tbl 4 и 5 связи, третий и четвертый элементы 6 и 7 связи, третью торцову1О стенку 8. первую крышку 9, вторую крышку 10. Таким образом, цилиндрический объемный резонатор образован цилиндрическим 50 корпусам 1, .-ервой торцовой стенкой 2 и трегьей торцовой стенк<ой 8. Резонатор Фабри-Перо образован первой торцовой стенкой 2 _#_ QTopol1 TopgoBQLR cTBHI Перестройка резонатора Фабри-Перо 55 осуществляется перемещением п<ервой торцовой стенки, а перестройка цилиндрического обьемнога резонатора — перемещением третьей торцовой стенки. Таким образом, в любой точке частотного диапазона в части;. но совмещенном резонаторе можно устана1702263 вить требуемую величину часто ной дисперсии. Более того, выбором величины й, Е, b, с можно добиться того, что частотная дисперсия такого резонатора будет практически постоянна в широком диапазона перестройки частоты резонатора. В самом деле достаточно поло>кить с о о н Г -) и учитывая, что второе слагаемое в правой час и выражения (5) существенно (в 100 раз) меньше, чем первое слагаемое, та получим (— -) рл г fg n fii L i ) n d (p x,г,, A n m,2 +, тогда при условии fB =- nfH (условие то п4ОЛ кратности) получим (p> )г, (A n in г d ==L— ()г При и = 50 мм и L= 22,3 мм; fii =9 ГГц (тип колебания Н511), получим d =-49 мм. Для параметра Ь = 60 мм (fa = 54 Г ц) и радиуса апертуры зеркала
Фре1еля (N.= - 1 для it:= 5 мм (й — длина волны), N = 2,12, Полученное значение числа Френеля обеспечивает приемлемые дифракционнь;е потери в резонаторе Фабри-Перо (il. < 10 ). Нагруженные добротности частлчно совмещенного резонатора составляют не менее 10 на нижней частоте fii и не менее 2 10 — í = верхней частоте 1ц. .4 Приведенные размеры частично совмещенного резонатора Обеспечивают возможность перестройки частоты с помошью одного элемента — первой торцовой стенки. Экспериментальная проверка проводилась с помощью цилиндрического резонатора с размерами R = 28 мм и =- 49,7 мм, отверстие в первой горцовой стенке имеет диаметр 30 мм. Резонансная часто. а цилиндрического резонатора 12 ГГц, тип колебаний Ну1. нагруженная добротность составляет 6000. Резонатор Фабри-Перо, частично совмещенный с цилиндрическим резонатором, имеет размеры, мм: а = 25; Ь = 75; c =- 61, резонансная частота составляет 60 ГГц, í"-Ipóæeííàÿ добротность (1-1,5)10, Д и -- 2,05, тип колебаний — ТЕМо,я (q = 24}. 5 Таким образом, предлагаемая ячейка характеризуется повышением точности измерения частотной дисперсии частично совмещенного резонатора за счет независимой перестройки частоты цилинд10 рического резонатора и резонатора ФабриПеро, повышением точности измерения частотной дисперсии частично совмещеннсго резонатора за счет уменьшения влиянля нестабильности температуры. Кроме 15 того. предлагаемая ячейка характериэуегся достижением точной кратности резонансных частот части:но совмещенного резонатора в широком диапазоне частот утем определенного выбора размеров резонато20 ра, а также обесг1ечением равной точности измерений в,широком диапазоне частот, Формула изобретения 25 СВЧ-измерительная ячейка, содержащая цилиндрический корпус, первую торцовую стенку, имеющую сферическую ",оверхность, которая расположена с одной старо:- ы цилиндричег ого корпуса иерпен30 дикулярно к его осл и ..= гановлена с возможнo;"ò,üio r:родольного перемещения относитег ьно него, вторую тсрцовую стен«у, име >щую сферическу о поверхность, Оа-"полIO>кен н>ую с другой сторон ь1 цилинд35 рического кopiiуса коаксиально с. Первой торцовой ст:-Iil .oé, первый и второй элемен>ы:вязи, размещенные в цилиндрическом корпусе, третий и четвертый элементь . свяэ;-., размешенные в центральной части ьто40 рой торцовой стенки для возбуждения огкоь.того резонатора. образованного первол ië второй торцовыми стенками, о т л ич =-. ю щà-" с я тем, что, с целью повышения точности измер".íèÿ в диапазоне двух 45 кратных частот, введена третья торцовая ".. åHêà, выголненная в форме кольца, располо>кенная с возмо>кностью перемещения внутри цилиндрического корпуса, образуюгцая вместе с ним и первой торцовой стен50 кой цилиндрический резонатор, дгя ".Озбуждения которого служат первый и вторсй элементы связи, 1702263 7 6 3 0,5 0,4 О,Э 0,2 О,I 0,2 0,4 0,6 0,8 Фиа 2 0 х Составитель Е,Мецнер Техред М.Моргентал Корректор Т.Малец Редактор Ю.Середа Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 4538 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., 4/5 
