Устройство для измерения диэлектрической проницаемости материалов

 

Изобретение относится к радиотехническим измерениям, в частности к устройствам для измерения диэлектрической проницаемости материалов. Предлагаемое изобретение позволяет одновременно упростить процесс измерений, повысить точность и чувствительность измерений, повысить надежность и увеличить долговечность устройства, а также расширить его эксплуатационные возможности. Устройство содержит основной тракт (Т)1, опорный Т2, измерительный Т3 и индикации Т4. Т1 состоит из СВЧ-автогенератора 5, усилителя мощности 6 и делителя СВЧ-сигнала на два. Опорный Т2 состоит из юстировочного фазовращателя 8, опорного резонатора (Р) 9 и вентиля 10. Т3 состоит из измерительного Р11 и вентиля 12. Т4 состоит из фазового детектора 13 и индикаторного устройства 14. Р9 и Р11 содержит отрезов микрополосковой линии, элементы электромагнитной связи, диэлектрическую подложку, которая с обратной стороны имеет металлическое покрытие. Р11 сопряжен с узлом для подачи и размещения исследуемого материала. Узел содержит металлическое основание с прорезью со стороны одной из его поверхностей, которая герметично соединена с обратной стороны подложки измерительного Р11 с образованием канала для размещения исследуемого материала. Подложка со стороны покрытия имеет свободный от покрытия участок, расположенный под отрезком и обращенный в сторону прорези. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к радиотехническим измерениям, в частности к непрерывным фазометрическим измерениям диэлектрической проницаемости веществ в СВЧ-диапазоне, и может быть использовано в сочетании с любым типом детекторов в газовой и жидкостной хроматографии, хромато-масс-спектрометрии, хромато-ИК-Фурье спектрометрии и так далее, как дополнительный независимый метод измерения.

Известно устройство для измерения диэлектрической проницаемости, содержащее две диэлектрических подложки, в зазоре между которыми размещен исследуемый материал, при этом при наружной поверхности одной из подложек размещен резонатор, наружная поверхность другой имеет с сплошное металлическое покрытие (см. Заявка ФРГ N 2542813 кл. G 01 R 27/26; H 01 L 27/00, приоритет от 15.09.75, опубл. 27.1.77) Известное устройство предназначено для измерения диэлектрической проницаемости керамических материалов, применяемых, в частности для интегральных высокочастотных схем.

Это устройство позволяет измерять диэлектрическую проницаемость только полированных диэлектрических подложек и не позволяет проводить измерения диэлектрической проницаемости материалов, находящихся в другом физическом состоянии, что ограничивает эксплуатационные возможности.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к прилагаемому является устройство для измерения диэлектрической проницаемости материалов, содержащее последовательно соединенные СВЧ-генератор и делитель СВЧ-сигнала на два, к выходам которого подключены опорный и измерительный тракты, последний из которых включает измерительную ячейку, содержащую отрезок микрополосковой линии и сопряженную с узлом для подачи и размещения исследуемого материала, при этом по крайней мере в один из трактов после выхода делителя СВЧ-сигнала включен юстировочный фазовращатель, а выходы трактов соединены с соответствующими входами фазового детектора, выход которого подключен ко входу индикатора (см. Заявка ЕПВ N 0223748, кл. G 01 R 27/26, приоритет 08.11.85 г. опубл. 27.05.87 г.) Известное устройство работает следующим образом. Отраженный сигнал, который получают в закороченной микрополосковой линии, сравнивают с опорным сигналом как в случае нагруженной, так и в случае ненагруженной микрополосковой линии, при этом исследуемый материал служит нагрузкой закороченной микрополосковой линии. Таким образом получают модуль и фазу коэффициента отражения, функцией которого является диэлектрическая проницаемость. Сдвиг фаз между опорным и отраженным сигналами в обоих режимах измеряют, регулируя отраженный сигнал первым фазовращателем, взаимодействующим с детектором нуля.

Однако, известное устройство обладает существенными недостатками: 1) относительно сложным процессом измерения, который требует проведения двух измерений как в случае нагруженной, так и в случае ненагруженной микрополосковой линии, чтобы получить данные о фазе и модуле коэффициента отражения, функцией которых является диэлектрическая проницаемость. Кроме того, необходимо проводить в каждом из двух измерений операции по регулировке для установки детектора в нулевое положение; 2) относительно большим временем измерений, что объясняется вышеизложенным.

Заявляемое изобретение направлено на решение следующих задач: 1) сокращения количества измерений за счет введения в опорный канал опорного резонатора, идентичного измерительному резонатору, и выполнения их в виде отрезков микрополосковых линий с разомкнутыми концами, имеющими в отдельности электромагнитную связь с соответствующим трактом, т.е. выполнения резонаторов проходными, что позволяет проводить одно измерение для получения необходимых данных о величине диэлектрической проницаемости посредством использования фазометрического метода. При этом в предлагаемой конструкции фазовый набег на резонаторах является функцией эффективной диэлектрической проницаемости, учитывающей несимметричность заполнения поперечного сечения линии диэлектриком, а так как напряжение на выходе фазового детектора является функцией разности фаз на его входах, то при подаче или размещении исследуемого материала под измерительным резонатором происходит пропорциональное изменение напряжения на выходе фазового детектора. Сокращение количества измерений приводит к существенному упрощению процесса измерений и сокращению времени измерений; 2) на увеличение крутизны амплитудно-фазовой характеристики (АФХ) на выходе фазового детектора, что достигается за счет введения в опорный тракт опорного резонатора, идентичного измерительному.

Увеличение крутизны АФХ на выходе фазового детектора приводит к увеличению чувствительности предлагаемого устройства; 3) на исключение взаимодействия исследуемых материалов со схемными элементами резонатора, что достигается за счет выполнения измерительного резонатора проходным и размещения узла для подачи исследуемого материала с обратной стороны подложки резонатора. Исключение взаимодействия исследуемых материалов со схемными элементами позволяет: а) повысить надежность и увеличить долговечность устройства; б) расширить эксплуатационные возможности за счет возможности измерения диэлектрической проницаемости не только твердых, но и жидкообразных и газообразных материалов.

4) на обеспечение возможности устанавливать определенные значения тока и соответственно определенные значения коэффициента усиления по мощности, что достигается включением усилителя мощности между генератором и делителем. Вышеуказанное позволяет с большей точностью измерять значительный диапазон значений диэлектрической проницаемости исследуемых материалов.

Таким образом, при осуществлении заявляемого изобретения могут быть одновременно получены следующие положительные технические результаты: 1) значительно упрощен процесс измерений и сокращено время измерений;
2) повышена точность и чувствительность измерений;
3) повышена надежность и увеличена долговечность устройства;
4) расширены эксплуатационные возможности устройства.

На фиг. 1 представлена электрическая структурная схема предлагаемого устройства для измерения диэлектрической проницаемости материалов; на фиг. 2 - резонатор (опорный или измерительный), выполненный в виде отрезка микрополосковой линии с разомкнутыми концами, имеющими электромагнитную связь с трактом, вид сверху; на фиг. 3 измерительный резонатор, сопряженный с узлом для подачи и размещения исследуемого материала; на фиг. 4 возможный вариант реализации фазового детектора.

Устройство содержит общий (основной) тракт 1, опорный тракт 2, измерительный тракт 3 и тракт индикации 4 (см. фиг. 1).

Общий (основной) тракт 1 состоит из СВЧ автогенератора 5, усилителя мощности 6 и делителя 7 СВЧ-сигнала на два.

Опорный тракт 2 состоит из юстировочного фазовращателя 8, опорного резонатора 9 и вентиля 10.

Измерительный тракт 3 состоит из измерительного резонатора 11 и вентиля 12.

Тракт индикации 4 состоит из фазового детектора 13 и индикаторного устройства 14.

Опорный 9 или измерительный 11 резонатор содержит отрезок 15 микрополосковой линии, элементы 16 электромагнитной связи, диэлектрическую подложку 17 (см. фиг. 2), которая с обратной стороны имеет металлическое тонкопленочное покрытие 18 (см. фиг. 3).

Измерительный резонатор 11 сопряжен с узлом 19 для подачи и размещения исследуемого материала. Узел 19 для подачи и размещения исследуемого материала содержит металлическое основание 20 с прямолинейной прорезью 21, например, прямоугольного сечения, со стороны одной из его плоских поверхностей. При этом поверхность узла 19 со стороны прорези 21 герметично соединена, например, пайкой, с обратной стороны подложки 17 измерительного резонатора 11 с образованием проходного канала 22 для подачи и размещения исследуемого материала (см. фиг. 3).

Подложка 17 измерительного резонатора 11 со стороны металлического тонкопленочного покрытия 18 имеет свободный от покрытия участок 23, расположенный под отрезком 15 микрополосковой линии и обращенный в сторону прорези 21, а продольные оси отрезка 15 и прорези 21 лежат в плоскости, перпендикулярной плоскости подложки.

Кроме того, через канал 22 для подачи и размещения исследуемого материала может быть пропущена трубка 24 из диэлектрического материала (см. фиг. 3).

Фазовый детектор 13 может быть выполнен по схеме, изображенной на фиг. 4. Он состоит из квадратурного моста 25, диодной пары 3АС122 26 с входящими в нее двумя диодами 27 и 28 и нагрузочного резистора (нагрузки) 29.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Вырабатываемый автогенератором 5 СВЧ-сигнал с частотой f₀ подается на усилитель мощности 6, который усиливает его до определенного значения, например P_вых ≃ 100 мВт. Затем сигнал делителем 7 делится пополам и подается в опорный 2 и измерительный 3 тракты.

Юстировочный фазовращатель 8, стоящий на входе опорного тракта 2, позволяет регулировать фазу поступающего на него СВЧ-сигнала. После фазовращателя 8 сигнал поступает на опорный резонатор 9, например полуволновый, через электромагнитные элементы связи. При этом резонансная частота резонатора 9 определяется известным соотношением (см. Отраслевой стандарт. Микросборки гибридные СВЧ диапазона. ОСТ 4.0К0.012.010, стр. 9, формула 4)

где f₀ рабочая частота автогенератора, (ГГц)
λ длина волны в резонаторе на рабочей частоте автогенератора, (мм)
e_эф. эффективная диэлектрическая проницаемость, учитывающая несимметричность заполнения поперечного сечения линии диэлектриком.

Затем сигнал через вентиль 10 поступает на один из входов фазового детектора 13.

Резонансная частота измерительного резонатора 11 в исходном положении определяется тем же соотношением 1. Если при этом принять l_pu = λ/2, то

где l_pu длина резонатора (мм),
f₀ рабочая частота автогенератора (ГГц),
ε_эф. эффективная диэлектрическая проницаемость, учитывающая несимметричность заполнения поперечного сечения линии диэлектриком.

Сигнал измерительного тракта через измерительный резонатор 11 и вентиль 12 поступает на второй вход фазового детектора 13, выход которого соединен со входом индикатора 14.

При использовании в качестве активного элемента фазового детектора детекторной пары 3АС122 26 напряжение на нагрузке будет равно
Ug=A(i₁-i₂) (3)
где A постоянный коэффициент, пропорциональный нагрузке:
i₁, i₂ токи через диоды диодной пары.

Так как сигналы на диодах при применении квадратурного моста 25 сдвинуты один относительно другого на 90^o, то на диоде 27
U₁= U_msinωt+U_mcos(ωt+Δϕ) (4)
и на диоде 28
U₂= U_mcosωt+U_msin(ωt+Δϕ) (5)
где U_msinωt и U_mcosωt сигналы на 27 и 28 диодах от опорного канала:
U_mcos(ωt+Δϕ и U_msin(ωt+Δϕ) сигналы на 27 и 28 диодах от измерительного канала.

Характеристики диодов можно апроксимировать степенным рядом, ограничась двумя членами разложения. Учитывая это можно записать:

где K постоянный коэффициент разложения.

Подставляя в формулу (3) значения токов (6) и (7) имеем (8)
Заменяя U₁ и U₂ их значениями (4) и (5), произведя известные тригонометрические преобразования, учитывая только составляющие постоянного тока через нагрузку 27 имеем
U_g= 2Ak²U²_msin(Δϕ) (9)
Принимая коэффициенты A и K 1 имеем
U_g= 2U²_m sin(Δϕ) (10)
где U_m амплитуда сигналов на входах фазового детектора;
Δϕ разность фаз сигналов на входах фазового детектора.

При Dv = 0 уровень напряжения на нагрузке равен 0. Известно, что фазовый набег в передающей СВЧ линии равен
ϕ = βl (11)
где β фазовая постоянная,
l длина линии.

Так как (см. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ, т. 1, издательство "Высшая школа", Москва, 1970 г. ф 2.42) (12),
то имеем
Если принять l = λ/2 и учитывая заполнение передающей линии диэлектриком, при котором
то фазовый набег при прохождении сигнала через полуволновой резонатор равен
или
где λ длина волны в резонаторе на рабочей частоте автогенератора;
l_o длина волны на рабочей частоте автогенератора в свободном пространстве.

В исходном состоянии (т.е. до размещения исследуемого материала в канале или подаче его через трубку) фазовый набег в опорном резонаторе 9 не равен фазовому набегу в измерительном резонаторе 11, что объясняется наличием узла для подачи и размещения исследуемого материала. При этом разность фаз между входами фазового детектора может быть сведена к нулю посредством юстировочного фазовращателя, а индикаторное устройство зафиксирует нулевое показание.

Если изменять определенным образом эффективную диэлектрическую проницаемость в измерительном резонаторе 11, то соответственно будет меняться фазовый набег в измерительном тракте согласно формуле (16), разность фаз на входах фазового детектора, а показания прибора на его выходе будет отличаться от нуля.

Эффективная диэлектрическая проницаемость измерительного резонатора зависит от
а) его ширины W;
б) расстояния h от плоскости резонатора до дна прорези, выполненной в металлическом основании и образующей канал для подачи и размещения исследуемого материала;
в) интегральной диэлектрической проницаемости, которая, в свою очередь, зависит от
диэлектрической проницаемости материала подложки,
диэлектрической проницаемости исследуемого материала,
диэлектрической проницаемости материала трубки в случае ее использования для подачи, например, газообразных или жидких материалов.

Параметры резонатора выбираются по результатам электродинамического расчета, исходя из того, что
а) трубка заполнена исходным (известным) материалом, например, воздухом;
б) длина его определяется соотношением

где λ длина волны в резонаторе на рабочей частоте автогенератора, т.е. чтобы резонансная частота резонатора равнялась частоте сигнала автогенератора.

При введении в трубку исследуемого материала с диэлектрической проницаемостью, отличной от диэлектрической проницаемости исходного материла будет меняться
а) резонансная частота;
б) эффективная диэлектрическая проницаемость резонатора;
в) фазовый набег согласно формуле (16).

При этом разность фаз будет отличаться от нуля, а на индикаторе появится напряжение, имеющее определенную функциональную зависимость от соотношения диэлектрической проницаемости исследуемого и исходного (известного) материалов.

Таким образом, измерение диэлектрической проницаемости исследуемого материала сводится к измерению напряжения пропорционального разности фаз сигналов от опорного и измерительного каналов.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения диэлектрической проницаемости материалов, содержащее последовательно соединенные СВЧ-генератор и делитель СВЧ-сигнала на два, к выходам которого подключены опорный и измерительный тракты, последний из которых включает измерительную ячейку, содержащую отрезок микрополосковой линии и сопряженную с узлом для подачи и размещения исследуемого материала, при этом по крайней мере в один из трактов после выхода делителя СВЧ-сигнала включен юстировочный фазовращатель, а выходы трактов соединены с соответствующими входами фазового детектора, выход которого подключен к входу индикатора, отличающееся тем, что измерительная ячейка выполнена в виде проходного измерительного резонатора, отрезок микрополосковой линии которого размещен на поверхности диэлектрической подложки, другая поверхность которой имеет тонкопленочное металлическое покрытие, и выполнен с разомкнутыми концами, имеющими в отдельности электромагнитную связь с трактом, а длина отрезка выбрана кратной половине длины волны в резонаторе на рабочей частоте, при этом в опорный тракт введен проходной опорный резонатор, идентичный измерительному резонатору, между каждым резонатором и соответствующим входом фазового детектора включен вентиль, а между выходом СВЧ-генератора, в качестве которого используют СВЧ-автогенератор, и входом делителя СВЧ-сигнала включен усилитель мощности, кроме того, узел для подачи и размещения исследуемого материала выполнен в виде металлического основания с прямолинейной прорезью со стороны одной из его плоских поверхностей, которая герметично закрыта диэлектрической подложкой измерительного резонатора с образованием канала для подачи и размещения исследуемого материала, при этом подложка измерительного резонатора со стороны тонкопленочного покрытия имеет свободный от покрытия участок, расположенный под отрезком микрополосковой линии и обращенный в сторону прорези, а продольные оси отрезка микрополосковой линии и канала лежат в плоскости, перпендикулярной плоскости подложки.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что через канал для подачи и размещения исследуемого материала пропущена трубка из диэлектрического материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4