Устройство для измерения относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь жидкости
Владельцы патента RU 2419099:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" (RU)
Изобретение относится к измерительной технике и служит для измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь жидких сред. В устройстве для измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь жидкости, содержащем фотонный кристалл с периодичностью изменения волнового сопротивления в направлении распространения электромагнитного излучения, имеющий участок нарушения периодичности, согласно решению фотонный кристалл представляет собой чередующиеся отрезки микрополосковой линии передачи с различными волновыми сопротивлениями, устройство дополнительно содержит измерительную кювету для исследуемой жидкости в виде отрезка микрополосковой линии передачи с воздушным заполнением, расположенную на участке нарушения периодичности. Технический результат заключается в уменьшении объема измеряемой жидкости. 6 ил., 2 табл.
Изобретение относится к измерительной технике и служит для измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь жидких сред.
Известно устройство, реализующее волноводный СВЧ-способ измерения диэлектрической проницаемости жидких сред по критической длине волны (см. патент РФ №2331871, МПК G01N 22/04, G01R 27/26), заключающийся в помещении диэлектрического сосуда с исследуемой жидкостью в высокочастотное электромагнитное поле и последующую регистрацию изменения параметров, характеризующих высокочастотное излучение, представляющее собой волноводную линию передачи, состоящую из последовательно соединенных с помощью плавных переходов трех секций из круглого металлического волновода различного диаметра, причем крайние секции волновода имеют одинаковый диаметр, а средняя - меньший диаметр, с расположенным в ней диэлектрическим сосудом с исследуемой жидкостью.
Однако данное устройство обладает недостаточно высокой чувствительностью к изменениям параметров жидкости.
Известна СВЧ-ячейка для измерения диэлектрической проницаемости жидкости (см. патент РФ №3829, МПК G01R 27/26), содержащая три участка несимметричных полосковых линий, два из которых имеют заполнение с высокой диэлектрической проницаемостью, а расположенный между ними центральный участок - с низкой диэлектрической проницаемостью, отличающаяся тем, что ширина металлической полоски центрального участка меньше ширины полосок крайних участков и имеет разрыв, по краям которого помещены вертикальные металлические пластины, образующие зазор, который заполнен исследуемой жидкостью.
Однако данное устройство также характеризуется недостаточной чувствительностью.
Известна ячейка для измерения диэлектрической проницаемости жидкости (см. патент РФ №2089889, МПК G01N 22/04, G01R 27/06), содержащая два микрополосковых резонатора с диэлектрическим заполнением, которые электромагнитно связаны, резонансные частоты их равны, а коэффициент связи на резонансной частоте обращается в нуль. Для проведения измерений один полосковый проводник кондуктивно подключают к выходу СВЧ-генератора, настроенного на резонансную частоту микрополосковых резонаторов, а другой - к измерителю мощности. При измерении резонаторы погружаются в исследуемую жидкость, а диэлектрическая проницаемость определяется по градуировочной кривой зависимости, проходящей через структуру мощности от диэлектрической проницаемости жидкости. Градуировочная кривая строится с использованием жидкостей с известными значениями диэлектрической проницаемости.
Однако данное устройство предполагает наличие сравнительно больших объемов измеряемой жидкости, использование градуировки приводит к снижению гарантированной точности измерений.
Наиболее близким по сущности к предлагаемому является устройство, реализующее способ измерения электрофизических параметров структуры «нанометровая металлическая пленка - полупроводниковая или диэлектрическая подложка» (см. патент РФ №2349904, МПК G01N 22/00), содержащее волноводный фотонный кристалл и подложку с исследуемым нанометровым покрытием. Процесс измерения с помощью данного устройства предполагает его облучение излучением СВЧ-диапазона, измерение частотной зависимости коэффициента отражения электромагнитного излучения от устройства, определение электропроводности или толщины металлической пленки по частотной зависимости коэффициента отражения от структуры при известных параметрах подложки, при этом второй параметр (соответственно толщину или электропроводность) металлического слоя предварительно измеряют.
Однако применение данного устройства для измерения параметров жидкостей затруднено вследствие необходимости обеспечения герметичности. Кроме того, использование волноведущих систем предполагает наличие сравнительно больших объемов жидкости, а также затрудняет возможность измерений параметров жидкости в условиях воздействия на нее внешних факторов, так как для измерения используется закрытая волноводная система, представляющая своего рода экранирующую систему.
Задачей настоящего решения является реализация возможности использования фотонного кристалла для измерения относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь жидких диэлектриков, а также уменьшение объема измеряемой жидкости.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь жидкости, содержащем фотонный кристалл с периодичностью изменения волнового сопротивления в направлении распространения электромагнитного излучения, имеющий участок нарушения периодичности, согласно решению фотонный кристалл представляет собой чередующиеся отрезки микрополосковой линии передачи с разными волновыми сопротивлениями, устройство дополнительно содержит измерительную кювету для исследуемой жидкости в виде отрезка микрополосковой линии передачи с воздушным заполнением, расположенную на участке нарушения периодичности.
В предлагаемом решении, как и в прототипе, использована периодическая структура - фотонный кристалл. В отличие от прототипа, где используется волноводный фотонный кристалл-структура, состоящая из слоев диэлектриков с чередующимися значениями диэлектрической проницаемости, помещенных в прямоугольный волновод, предлагаемое устройство представляет собой микрополосковую периодическую структуру - микрополосковый фотонный кристалл, состоящий из последовательно соединенных отрезков микрополосковых линий с чередующимися значениями волнового сопротивления. Периодичность изменения волнового сопротивления достигается периодичностью изменения параметров микрополосковой линии (ширина полоскового проводника, диэлектрическая проницаемость подложки, длина отрезка). Как и в прототипе, устройство имеет нарушение периодичности - участок, отличающийся по геометрическим размерам или электрофизическим параметрам. В отличие от прототипа, где измеряемый образец помещается после фотонного кристалла, предлагаемое устройство содержит отрезок воздушной полосковой линии - измерительную кювету, являющийся элементом нарушения периодичности. Измеряемая жидкость помещается в данный отрезок в качестве подложки микрополосковой линии, полностью заполняя его. Как и в прототипе, процесс измерения предполагает облучение структуры излучением СВЧ-диапазона, измерение частотных зависимостей коэффициентов прохождения и/или отражения электромагнитного излучения, определение неизвестного параметра (параметров) по частотным зависимостям коэффициентов прохождения и/или отражения в результате численного моделирования на ЭВМ с использованием метода наименьших квадратов при известном теоретическом описании распространения электромагнитного излучения в измерительной структуре. В отличие от прототипа неизвестными параметрами являются диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь исследуемой жидкости.
Оригинальность предлагаемого решения заключается в использовании микрополоскового фотонного кристалла с нарушением периодичности, содержащего отрезок воздушной полосковой линии - измерительную кювету, в которую помещается исследуемая жидкость.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена схема микрополоскового фотонного кристалла; на фиг.2 - частотные зависимости коэффициента пропускания микрополоскового фотонного кристалла с нарушением периодичности - пунктирная кривая, и без нарушения - непрерывная кривая; на фиг.3 - фотография предлагаемого устройства; на фиг.4 - экспериментальные (пунктирные кривые) и расчетные (непрерывные кривые) частотные зависимости коэффициента прохождения электромагнитной волны в измерительной структуре с кюветой заполненной деионизованной водой; на фиг.5 - экспериментальные (пунктирные кривые) и расчетные (непрерывные кривые) частотные зависимости коэффициента прохождения электромагнитной волны в измерительной структуре с кюветой, заполненной этанолом; на фиг.6 - экспериментальные (пунктирные кривые) и расчетные (непрерывные кривые) частотные зависимости коэффициента прохождения электромагнитной волны в измерительной структуре с кюветой, заполненной глицерином, где 1 - основание; 2 - полосковый проводник; 3, 4 - отрезки микрополосковой линии передачи фотонного кристалла, с различным волновым сопротивлением; 5 - участок нарушения периодичности; 6 - кювета для исследуемой жидкости; 7 - держатель; 8 - коаксиальный разъем.
Предлагаемое устройство для измерения относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь жидкости представляет собой микрополосковую структуру, имеющую участок с периодическим изменением волнового сопротивления вдоль направления распространения излучения, образованный отрезками микрополосковой линии передачи 3, 4 с чередующимися значениями волнового сопротивления. Устройство также содержит участок нарушения периодичности 5 в виде одного или более отрезков микрополосковой линии с измененными геометрическими или электрофизическими параметрами. Причем один отрезок участка нарушения периодичности 5, являющийся измерительной кюветой 6, должен быть выполнен в виде отрезка воздушной полосковой линии. Отрезки микрополосковой линии 3, 4, 5 расположены на основании 1, а волноведущим элементом каждого из отрезков является полосковый проводник 2.
Волновые сопротивления и длины отрезков микрополосковой линии передачи 3, 4, образующих периодическую часть устройства, выбираются так, чтобы величина коэффициента пропускания электромагнитного излучения микрополоскового фотонного кристалла имела ярковыраженную частотную зависимость (фиг.2, пунктирная кривая), содержащую периодически расположенные полосы пропускания и заграждения, причем в интересующем диапазоне частот должна присутствовать полоса заграждения - запрещенная зона фотонного кристалла. Параметры участка нарушения периодичности 5 выбираются так, чтобы на частотной зависимости коэффициента пропускания электромагнитного излучения микрополоскового фотонного кристалла с нарушением в полосе заграждения присутствовал максимум коэффициента пропускания - разрешенный уровень (фиг.2, непрерывная кривая). Размеры измерительной кюветы 6 выбираются так, чтобы при ожидаемых значениях относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь измеряемой жидкости максимум коэффициента пропускания оставался в пределах полосы заграждения.
В процессе измерения измеряемую жидкость заливают в кювету 6, полностью заполняя ее. С помощью анализатора цепей облучают устройство излучением СВЧ-диапазона и измеряют частотную зависимость коэффициента прохождения и/или отражения в выбранном диапазоне частот. Диапазон частот выбирают так, чтобы в его пределах фотонный кристалл имел запрещенную зону, содержащую разрешенный уровень.
Относительную диэлектрическую проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь измеряемой жидкости при известном теоретическом описании распространения излучения в устройстве определяют по экспериментальным зависимостям коэффициента прохождения и/или отражения методом численного моделирования на ЭВМ.
Рассмотрим пример практической реализации изобретения (фиг.3).
Изготавливается микрополосковая измерительная структура, в которой периодичность изменения волнового сопротивления достигается периодичностью изменения диэлектрической проницаемости подложки. Устройство содержит чередующиеся отрезки микрополосковой линии на подложке из поликора 3 (ε=9,6) и отрезки микрополосковой линии с воздушным заполнением 4 (ε=1). Каждый отрезок микрополосковой линии на подложке из поликора 3 выполнен в виде пластины из поликора, на которой с одной стороны методом фотолитографии нанесен полосковый проводник 2, а другая сторона металлизирована полностью. Пластины размещены на металлическом основании 1 на некотором расстоянии друг от друга и припаяны к нему либо прижаты с помощью держателей 7. Отрезки микрополосковой линии на подложке из поликора 3 соединены между собой плоскими металлическими перемычками, выполняющими роль полоскового проводника 2 микрополосковой линии с воздушным заполнением 4. Для подключения к внешней цепи структура снабжена коаксиальными разъемами 8 с волновым сопротивлением 50 Ом.
Чередующиеся отрезки микрополосковой линии передачи 3, 4 образуют фотонный кристалл, состоящий из 11 слоев, параметры которых приведены в таблице 1.
| Таблица 1 | |||||
| № | Длина отрезка, мм | Диэлектрическая проницаемость подложки | Ширина полоскового проводника, мм | Толщина подложки, мм | Волновое сопротивление, Ом |
| 1 | 11 | 9,6 | 1 | 1 | 50 |
| 2 | 20 | 1 | 1 | 1 | 138 |
| 3 | 8 | 9,6 | 1 | 1 | 50 |
| 4 | 20 | 1 | 1 | 1 | 138 |
| 5 | 15,6 | 9,6 | 1 | 1 | 50 |
| 6 | 0,8 | 1 | 1 | 1 | 138 |
| 7 | 15,6 | 9,6 | 1 | 1 | 50 |
| 8 | 20 | 1 | 1 | 1 | 138 |
| 9 | 8 | 9,6 | 1 | 1 | 50 |
| 10 | 20 | 1 | 1 | 1 | 138 |
| 11 | 11 | 9,6 | 1 | 1 | 50 |
Отрезки №2-№4, №8-№10 образуют периодическую часть структуры, отрезки №5-№7 являются нарушением периодичности 5, причем отрезок №6 структуры конструктивно выполнен в виде кюветы 6 для измерения параметров жидкостей. Отрезки №1, №11 согласованы с коаксиальными разъемами 8 и внешней коаксиальной линией передачи, поскольку имеют такое же волновое сопротивление, равное 50 Ом, поэтому при расчетах данные отрезки считаются частью внешней цепи и их длина не учитывается.
Устройство подключают к измерительному тракту анализатора цепей. Выбирают диапазон измерений 2-5 ГГц, поскольку описанная структура в этом диапазоне имеет ярковыраженную частотную зависимость коэффициента пропускания, содержащую полосу заграждения, в которой присутствует максимум коэффициента пропускания, чувствительный к параметрам помещенного в кювету вещества. Измеряемую жидкость помещают в кювету 6, полностью заполняя ее. Измеряют частотные зависимости коэффициента прохождения электромагнитной волны в указанном диапазоне частот.
Измерение комплексной диэлектрической проницаемости по частотным зависимостям коэффициента прохождения D(f) электромагнитного излучения, при использовании метода наименьших квадратов для обработки экспериментальных данных для этого случая основано на решении уравнения:
где 
,
Dэксп - экспериментальная и D(f,ε) - расчетная частотные зависимости коэффициента прохождения электромагнитной волны.
Для расчета частотной зависимости коэффициента прохождения D(f,ε) электромагнитной волны через структуру может быть использовано соотношение:
в котором элемент T11[1,1] матрицы передачи Т11 11-слойной структуры определяется из выражения:
где 
и 
- матрицы передачи четырехполюсников, описывающих соответственно i-й отрезок и прямое соединение (i-1)-го и i-го отрезков микрополосковой линии передачи. Выражения для матриц передачи 
и 
соответствующих элементарных четырехполюсников имеют вид:
Здесь di - длина i-го отрезка, γi - постоянная распространения электромагнитной волны в i-ом отрезке,
где 
- волновое сопротивление i-го отрезка структуры, εi, hi - диэлектрическая проницаемость и толщина подложки i-го отрезка, Wi - ширина полоскового проводника i-го отрезка.
Измеренная Dэксп и рассчитанная D(f,ε) частотные зависимости коэффициента прохождения электромагнитной волны позволяют построить функцию невязок, являющуюся функцией переменной ε:
Решением уравнения (1) для функции S(ε) в виде (4) является искомая величина диэлектрической проницаемости εиск.
Экспериментально измерялась комплексная диэлектрическая проницаемость полярных жидкостей. Частотная зависимость коэффициента прохождения измерялась при комнатной температуре с помощью векторного анализатора цепей Agilent PNA-L Network Analyzer N5230A 10 MHz-40 GHz, к измерительным разъемам которого подключалось описанное устройство.
На фиг.4, 5 и 6 представлены экспериментально измеренные частотные зависимости (пунктирные кривые) коэффициента прохождения Dэксп электромагнитной волны через устройство с кюветой, заполненной измеряемым веществом, от частоты зондирующего сигнала, а также зависимости Dpacч (непрерывные кривые), рассчитанные с использованием соотношения (2) при значениях комплексной диэлектрической проницаемости ε=εиск, определяемых из решения уравнения (1). Тангенс угла диэлектрических потерь определяется по формуле:
где ε' и ε'' - соответственно действительная и мнимая части искомой величины комплексной диэлектрической проницаемости 
.
В таблице 2 приведены значения ε', ε'' и tgδ, полученные для различных жидкостей на частотах f=fмакс, соответствующих максимуму коэффициента пропускания разрешенного уровня микрополоскового фотонного кристалла. Полученные данные хорошо согласуются с известными из литературы.
| Таблица 2 | ||||
| Жидкость | ε' | ε'' | tgδ | fмакс, ГГц |
| деионизованная вода | 76,6 | 10,3 | 0,13 | 3,24 |
| этанол (96% об.) | 10,5 | 7,9 | 0,75 | 3,58 |
| глицерин | 16 | 11,5 | 0,72 | 3,54 |
Устройство для измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь жидкости, содержащее фотонный кристалл с периодичностью изменения волнового сопротивления в направлении распространения электромагнитного излучения, имеющий участок нарушения периодичности, отличающееся тем, что фотонный кристалл представляет собой чередующиеся отрезки микрополосковой линии передачи с различными волновыми сопротивлениями, устройство дополнительно содержит измерительную кювету для исследуемой жидкости в виде отрезка микрополосковой линии передачи с воздушным заполнением, расположенную на участке нарушения периодичности.
