Способ определения диэлектрической проницаемости

 

Иэобрстс.:г;е вносится к радиофизике и может быть использовано для исследования физических свойств диэлектрических материалов, в частности для измерения диэлектрической проницаемости в резонаторе. Цель изобретения - повышение томности определения диэлектрической проницаемости за счет снижения погрешности определения длины резонатора. Способ состоит в том, что в резонаторе с образцом измеряют резонансные часто-- ты дпух резонзнсов основного типа, уточняют эффективную критическую тоту и резонансным частотам определяют диэлектрическую проницаемость материала по формуле. 3 ил.

СОЮЗ СОЛЮС.(ИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ рЕс ублин (У1) С О1 R 27/26

ОПИСАНИЕ И О РЕТЕ -И

К АВТОРСИСМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ где f кр

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТг=НИЯЗ И ОТКРЫТИЯМ

Я К ГКНТ СССР (21) 4703181/? 1 (22) 03. 04. 89 (46) 23,01.92. Еюл. 1" 3 (71) Обнинское научно-производственное объединение "Технологиян (72) В, П. Крьлов, В. М. Скрипников и Я,И,11аков (53) 621.317 (088.8) (56) Спектор С,Я, Электрические измерения физических величин, - Л.:

Энергоатомизгаг, 1987, с. 186-108. (54) СПОСОi, О11РЕ 1ЕЛЕК В !183f1FKTPN lECКОИ ПГОНИЦЯги СТИ ("7) Изобр"тс;,;е о, носится к радиофизике и может быть использовано для

Изобретение относится к радиофизике и может бь1ть использовано лля исследования физических свойств лиэлектрических материалов, s частности для измерения диэлектрической проницаемости в резонаторе °

Целью изобретения является повышение точности определения диэлекгрической проницаемости материала в резонаторе за счет снижения погрешности определения длины резонатора.

Способ заключается в том, что в резонаторе с образцо л измеряют резонансные частоты лвух резонансов основного типа, уточняют эффективную критическую частоту и по резонансным частотам определяю диэлектрическую проницаемость материала образца.

На фиг.1 пр.1г..ясна бл:.-к-схе>-, уг:тройства, реал. ун, .го сп or f> спр -аеления диэлектрической проницаемости; на фиг.2 — схема для решения электисследования физических свойств диэлектрических материалов, в частности для измерения диэлектриче кой проницаемос -и в резонаторе. Цель изобретения - повып ение точности орределения диэлектрической проницаемости за счет снижения погрешности опрелеления длины резонатора, Способ состоит в том, что в резона горе с обра",öñ ë измеряют резонансные ьасто-. ты двух резонансов основного типа, уточнлют эффективную критическую частоту и и: рсзонансньм частотам определяют диэлектрическую проницаемость материала по формуле, 3 ил. ро lинамическои задачи, на фиг.3 цилиндрический резонатор.

Сущность способа заключается в следующем.

Пля резонатора с образцом при использовании метода короткого замыкания на границе разаела диэлектрик

Ъ воздух из условия резонанса уравнение баланса фаз записывается в виде

, (бакр, И- )) = гР, 4 Е > ° (1) частота в свободном пространстве резонанса для резонатора с.образцом, Гц; критическая частота для данного резонатора, Гц", длина ре".онаiора, л. л; т-оли и на обра 3 ца, искомая диэлектрическая прони цаемост ь.

1707570 При проведении измерений двух резонансных частот основного типа опрецеление проводится по лвум однотипным уравнениям

Р, (е, ек, (L-ü)1 =, P if),fr,E,d), (2) в) (ff fr,(f.-ь)) = «к ((«, „, E,d), (3) гце f< - частота первого са, Гц,, f - частота второго са, Гц.

Леля уравнение (2) на чим выражение резонанрезонан"5 (3), полу(6) Xp Q

+1) г «п2

Ю2(1 1,Г i(P,F,d)

Р,(< « z. xp) — (ф, (4)

О1 Р2 2

20 которое не зависит от,цлины резонатора.

Критическая частота пустого резонатора определяется его геометрическими. размерами, но очевидно, что при внесении диэлектрического образца критическая эффективная часто а резонатора изменяется, поэтому в резонаторе с образцом она должна уточняться, В цанном техническо) „ешении эта операция проводится с помощью измеренных частот двух соседних резонан,сов основного типа, для которых выполняется условие рсзонанса в вице

t i -Ãóý и (5) 35 ггn+1 2 - «рэ где с - скорость света (с=2,99)(X 10 мм/с); п - число полуволн, соотве)ствуюцих частоте первого резонан40 са Е<, укладывающихся на эквивалентной цлине резонов т ора, (n+1) число полуволн соот всг т -.

45 вующих частоте вто;ього резэнатора Г2, укладывФощихся на эквивалентной цлине резонатора, эффективная критическая частота для резона(ора с образцом материала.

ИЗ уравнения (5) находим э()фе(<тивную критическую часто) у резонатора с образцом

Использование равенства (6) приФ водит уравнение (4) к виду

Ф (f f,n) = ----- - - -p2(f < n E d) (7)

0 2 Р2(Г2 tn nye,d)

В таком виде выражение (7) явля— ется. транценцентным уравнением с одним неизвестным Я.

Конкретное выполнение предлагаемого способа рассмотрим на примере опрецеления диэлектрической проницаемости образца материала методом короткого замыкания в полом цилиндрическом резонаторе с волной Н(1, При условии, что 1.)) d и L>10 3/2« где ф - длина волны в резо11аторе, рассмотрим для тангенциальной компоненты электрического поля решение равнения. Максвелла в соответствии с фиг.2 в ви е, A

lXZ - 1 i< Z

E =E е +Е е 1

Ограничивая задачу рассмотрением

63JlBHca фаз на границе циэлектрик возцух с координатой Z = T. - d u считая,что среда II более плотная, т.е. фаза колебаний электрического вектора претерпевает изменение íà ll а с) руктура поперечного поля во всем резонаторе существенно не изменяе1си получим

Л

K(t.-Ь)-K(L-Ь)ката(к,(К,r,d ))+, (8) где К .-= 2/с ° 11 f -Г - волновое

Л кр число с - скорость света

« « с = 299< 10 мм/с; агр(г) - фаза комплексного коэ Ьфициента отражения г от циэлектрического образца на металлической подложке °

В соответствии с уравнением (4), используя (8), для двух резонансов основного типа ээпиввм в 2 (fr-Гк«) rr((r(f L f êf E Ь)Ь

2 2 ) агД1г(4 «Гкр «Е d)j

2- кр где в соответствии с фиг.2 r равн<) 4Гд

Г(Я.+Г 23 C

«Z iffy д

1 Г1а гг) е

Считая о1ражение от >леталла полгэып(, Г23 = -1 а Г12= (1 Я /(ti+) и пренебрегая потерями в диэлектрике, полу им

1707570

4Г(я1п -- (f -f > +f ° d) с

arg(r) =are tg с . -- (Г -Г >-(Е d) ()+E>-2(;-5> с окончательно запишем

4, в1п (-- ((2 -Е "Д. 4)

--"--" -- = arctg

f ã f „ cos (f -f jQ. (1) (1+6)-2(1-g)

4»

) (9) сов (-- Г -f >If d) (1+Е) -2(1-Е)

4» гг (1.0) где Г 1(1

4+/sin(-- - 4E (1) = arctg (, >(2-Р . Ь Ьd)()+E)-2(1-E) с

Ч -4р.з

4>) 4, Я sin(-- Г -f d) с Я а:ctv, р—

coos(-- q с

n f$

z 1 где f а п оценивается по приближению к известному значению критической частоты для пустого резонатора с волной

Н„ f „ = c/(1,63789 r<), rде r радиус резонатора, по формуле где q - обозначение функции вычисления ближайшего целого числа.

Для реализации предлагаемого способа изготовлен полы1 цилиндрический резонатор с волной Н о,, вид которого показан на ()>иг,3. >ппаратурная реализация способа ",релставлена на фиг.1, устройств, реализующее спо" соб, содержит СВИП-генератор 1, СВч, резонатор 2, детектор 3, частотомер

4, модулятор 5, блок 6 управления, ЭВИ 7, причем СВИП-генератор 1, модулятор 5, резонатор 2, детектор 3, блок управления соелинень> после(1овательно, выход СВИП-генератора 1 через частотомер 4 соединен с его входом, а входы и вь(ходы .ЭВИ соедиI нены соответственно с выходом и входом блока 6 управления.

По алгоритму, реализующему предла20 геемый способ, была составлена программа решения трансцендентного уравнения (9) с уточнением по формулам (10) и (11). 1ля экспсримента был выбран материал из кварцевой керамики и для резонатора с образцом были получены следую>1ие данные:

=- 8,961849 ГГц, fz = 9,224780 ГГц, d = 9,14 мм, расчет по которым определил = 3,34 5.

Формула изобрет ени

Способ определенил диэлектрическог проницаемости, включающий измерение резонансных частот резонатора, .отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения диэлектрической проницаемости, зе счет снижения погрешности onреде40 ления длины резонатора, в резонаторе размещают образец материала и измеряют резонансные, частоты двух резонаторов, определяют эффективную критическую частоту Г g и по резонанс45 ным частотам определяют диэлектрическую проницаемость: с/(1,63789..r ) — критическая частота; определяемая диэлектрическая проницаемость, резонансные частоты двух резонансов, ГГц, толщина образца, мм, rp Радиус резонатора, мм, орость света, 2,99 ° 10" мм/с, 9

Cp - обозначение функции вычисления ближайшего целого числа.

170757 о

Составитель IO. Богданов

Реаактор И,Горная Техреду Л.Олийнык Корректор А.Обручар

Закал 766 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государс-.венного кс «тета и<> из<;6ретеннлм и открытиям при ГЕНТ СССг

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

Производственно"издательский ком инат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина > 101