RU2575468C1 - Device to define complex capacitivity of materials - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: device comprises a section of metal waveguide transmission line, plate glass and additional second section of metal waveguide transmission line complete with flanges at both sides and having the same inner cross-section as the first section of metal waveguide transmission line, varactor diode; inner part of the second section of metal waveguide transmission line is filled with dielectric, the plate glass is made of metal and has a window of dimensions equal to dimensions of inner cross-section in the section of metal waveguide transmission line; metal outputs of the varactor diode and plate glass are separated by insulator, plate glass and flange of one end of the section of metal waveguide transmission line are interconnected mechanically, length of the second diction of metal waveguide transmission line is multiple to half length of electromagnetic wave in the second diction of metal waveguide transmission line.

EFFECT: increase in accuracy of complex capacitivity and simultaneous determination of actual and imaginary component of complex capacitivity is provided.

3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к устройствам для определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов с использованием электромагнитных волн.The invention relates to devices for determining the complex dielectric constant of materials using electromagnetic waves.

Известно устройство для определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов, работающее в оптическом диапазоне длин волн, содержащее средство для регулирования тока в цепи источника питания и для обработки данных, соединенные последовательно с цифроаналоговым преобразователем, блок питания полупроводникового лазера, регулятор температуры, полупроводниковый лазерный источник излучения и оптическое средство [1].A device for determining the complex dielectric constant of materials, operating in the optical wavelength range, comprising means for regulating the current in the power supply circuit and for processing data, connected in series with a digital-to-analog converter, a semiconductor laser power supply, a temperature controller, a semiconductor laser radiation source and an optical tool [1].

Недостатки этого устройства:The disadvantages of this device:

- большая погрешность (20-30%) в определении комплексной диэлектрической проницаемости материала,- a large error (20-30%) in determining the complex dielectric constant of the material,

- необходимость использования дорогостоящей лазерной и спектральной аппаратуры.- the need to use expensive laser and spectral equipment.

Известно устройство для определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов, содержащее отрезок металлической волноводной линии передачи, снабженный фланцами с обоих концов, с размерами внутреннего поперечного сечения, при которых в отрезке металлической волноводной линии передачи распространяется электромагнитная волна сантиметрового или миллиметрового диапазона длин волн, плоскопараллельную пластину из диэлектрика, которая расположена на одном конце отрезка металлической волноводной линии, при этом плоскопараллельная пластина из диэлектрика контактирует с исследуемым материалом, другой конец отрезка металлической волноводной линии передачи предназначен для соединения его с источником электромагнитной волны и измерителем коэффициента отражения электромагнитной волны [2] - прототип.A device is known for determining the complex dielectric constant of materials, comprising a segment of a metal waveguide transmission line equipped with flanges at both ends with internal cross-sectional dimensions, in which an electromagnetic wave of a centimeter or millimeter wavelength range, a plane-parallel dielectric plate, propagates in a segment of a metal waveguide transmission line , which is located at one end of a segment of a metal waveguide line, with plane-parallel Ordering of a dielectric plate is in contact with the test material, the other end of the segment of the metal waveguide transmission line for connecting it to a source of electromagnetic waves and electromagnetic reflectance meter wave [2] - prototype.

Это устройствоThis device

- повышает точность измерений за счет согласования волноводной линии передачи с поверхностью материала с помощью согласующей плоскопараллельной пластины из диэлектрика,- improves the accuracy of measurements by matching the waveguide transmission line with the surface of the material using a matching plane-parallel dielectric plate,

- снижает стоимость исследований за счет использования широко распространенных панорамных измерителей коэффициента отражения электромагнитной волны сантиметрового или миллиметрового диапазона длин волн.- reduces the cost of research due to the use of widespread panoramic meters of the reflection coefficient of the electromagnetic wave of the centimeter or millimeter wavelength range.

Недостатки этого устройства:The disadvantages of this device:

- для улучшения согласования падающей электромагнитной волны с поверхностью материалов согласующая диэлектрическая пластина должна иметь толщину, кратную нечетному числу четверти длины электромагнитной волны в диэлектрическом материале пластины, при этом величина добротности снижается, поэтому коэффициент отражения электромагнитной волны по мощности от поверхности материалов не имеет четко выраженного минимума, что затрудняет определение частоты, соответствующей минимальному значению коэффициента отражения электромагнитной волны по мощности, и тем самым снижает точность определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов,- to improve the matching of the incident electromagnetic wave with the surface of the materials, the matching dielectric plate must have a multiple of an odd number of a quarter of the length of the electromagnetic wave in the dielectric material of the plate, while the quality factor is reduced, therefore, the reflection coefficient of the electromagnetic wave in terms of power from the surface of the materials does not have a clearly defined minimum , which makes it difficult to determine the frequency corresponding to the minimum value of the electromagnetic reflection coefficient us power, and thereby reduces the accuracy of determination of the complex permittivity of materials

- величина диэлектрической проницаемости пластины должна быть выбрана такой, при которой выполняются оптимальные условия согласования, однако это условие практически не выполнимо, поскольку пластина изготавливается из диэлектрического материала с определенной величиной диэлектрической проницаемости, которая отличается от оптимальной величины диэлектрической проницаемости, что снижает точность определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов,- the dielectric constant of the plate should be chosen so that the optimal matching conditions are met, however, this condition is practically not feasible, since the plate is made of dielectric material with a certain value of dielectric constant, which differs from the optimal value of dielectric constant, which reduces the accuracy of determining the complex dielectric permeability of materials

- невозможность определения одновременно действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости материалов.- the impossibility of determining both the real and imaginary parts of the complex dielectric constant of materials.

Техническим результатом предлагаемого изобретения являетсяThe technical result of the invention is

- увеличение точности определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов,- increasing the accuracy of determining the complex dielectric constant of materials,

- определение одновременно действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости материалов,- determination of both the real and imaginary parts of the complex dielectric constant of materials,

- низкая стоимость используемой измерительной аппаратуры.- low cost of the used measuring equipment.

Указанный технический результат достигается заявленным устройством для определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов, содержащимThe specified technical result is achieved by the claimed device for determining the complex dielectric constant of materials containing

отрезок металлической волноводной линии передачи, снабженный фланцами с обоих концов, с размерами внутреннего поперечного сечения, при которых в отрезке металлической волноводной линии передачи распространяется электромагнитная волна сантиметрового или миллиметрового диапазонов длин волн,a section of a metal waveguide transmission line equipped with flanges at both ends, with dimensions of the internal cross section, in which an electromagnetic wave of a centimeter or millimeter wavelength range propagates in a section of a metal waveguide transmission line,

плоскопараллельную пластину, расположенную на одном конце отрезка металлической волноводной линии перпендикулярно направлению распространения электромагнитной волны в металлической волноводной линии передачи,a plane-parallel plate located at one end of a segment of a metal waveguide line perpendicular to the direction of propagation of the electromagnetic wave in the metal waveguide transmission line,

другой конец отрезка металлической волноводной линии передачи предназначен для соединения его с источником электромагнитной волны и измерителем коэффициента отражения электромагнитной волны.the other end of the segment of the metal waveguide transmission line is designed to connect it to a source of electromagnetic waves and a meter for the reflection coefficient of the electromagnetic wave.

В устройство дополнительно введеныThe device is additionally introduced

второй отрезок металлической волноводной линии передачи, снабженный фланцами с обоих концов, одинакового внутреннего поперечного сечения с первым отрезком металлической волноводной линии передачи,a second segment of a metal waveguide transmission line provided with flanges at both ends of the same internal cross section with a first segment of a metal waveguide transmission line,

варакторный диод,varactor diode

внутренняя часть второго отрезка металлической волноводной линии передачи заполнена диэлектриком,the inside of the second segment of the metal waveguide transmission line is filled with a dielectric,

плоскопараллельная пластина выполнена из металла и снабжена окном с размерами, равными размерам внутреннего поперечного сечения отрезка металлической волноводной линии передачи,a plane-parallel plate is made of metal and is equipped with a window with dimensions equal to the dimensions of the internal cross section of a section of a metal waveguide transmission line,

варакторный диод включен посередине широкой стенки окна в плоскопараллельной пластине,a varactor diode is turned on in the middle of a wide window wall in a plane-parallel plate,

металлические выводы варакторного диода и плоскопараллельная пластина разделены изолятором,the metal leads of the varactor diode and the plane-parallel plate are separated by an insulator,

фланец другого конца отрезка металлической волноводной линии передачи, плоскопараллельная пластина и фланец одного конца второго отрезка металлической волноводной линии передачи соединены между собой механически,a flange of the other end of the segment of the metal waveguide transmission line, a plane-parallel plate and a flange of one end of the second segment of the metal waveguide transmission line are mechanically connected,

другой конец второго отрезка металлической волноводной линии передачи предназначен для контакта с измеряемыми материалами,the other end of the second segment of the metal waveguide transmission line is intended for contact with the measured materials,

длина второго отрезка металлической волноводной линии передачи кратна половине длины электромагнитной волны во втором отрезке металлической волноводной линии передачи с диэлектриком.the length of the second segment of the metal waveguide transmission line is a multiple of half the length of the electromagnetic wave in the second segment of the metal waveguide transmission line with a dielectric.

Сущность изобретения.SUMMARY OF THE INVENTION

Заявленное устройство для определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов, его существенные признаки, а именноThe claimed device for determining the complex dielectric constant of materials, its essential features, namely

введение дополнительно второго отрезка металлической волноводной линии передачи и варакторного диода, заполнение второго отрезка волноводной линии передачи диэлектриком, выполнение плоскопараллельной пластины из металла и снабженной окном с размерами, равными размерам внутреннего поперечного сечения отрезка металлической волноводной линии передачи, включение варакторного диода по середине широкой стенки окна в плоскопараллельной пластине, выполнение второго отрезка волноводной линии передачи длиной, кратной половине длины электромагнитной волны во втором отрезке металлической волноводной линии передачи с диэлектриком,introducing an additional second segment of the metal waveguide transmission line and the varactor diode, filling the second segment of the waveguide transmission line with a dielectric, making a plane-parallel plate of metal and equipped with a window with dimensions equal to the dimensions of the inner cross section of the segment of the metal waveguide transmission line, turning on the varactor diode in the middle of the wide window wall in a plane-parallel plate, the implementation of the second segment of the waveguide transmission line with a length that is a multiple of half the length of the electric wave in the ferromagnetic metallic second segment of the waveguide transmission line with a dielectric,

каждый и в их совокупности, а также в совокупности с известными признаками, а также в совокупности с предложенным соединением элементов устройства:each and in their entirety, as well as in conjunction with the known features, as well as in conjunction with the proposed connection of the elements of the device:

1. Благодаря тому, что1. Due to the fact that

- второй отрезок металлической волноводной линии передачи, заполненный диэлектриком, с одной стороны которого расположена отражающая стенка в виде плоскопараллельной пластины, выполненной из металла, с включенным в нее варакторным диодом, а с другой стороны поверхность измеряемого материала представляет собой резонатор с отражающими стенками;- the second segment of a metal waveguide transmission line filled with a dielectric, on one side of which there is a reflecting wall in the form of a plane-parallel plate made of metal with a varactor diode included in it, and on the other hand, the surface of the measured material is a resonator with reflective walls;

- длина второго отрезка металлической волноводной линии передачи L выбрана кратной половине длины электромагнитной волны в отрезке металлической волноводной линии передачи с диэлектриком (L=m×λв/2, где λв - длина электромагнитной волны в металлической волноводной линии передачи с диэлектриком, m=1, 2, 3, …), поэтому в резонаторе устанавливаются стоячие волны;- the length of the second segment of the metal waveguide transmission line L is selected as a multiple of half the length of the electromagnetic wave in the segment of the metal waveguide transmission line with a dielectric (L = m × λv / 2, where λv is the length of the electromagnetic wave in a metal waveguide transmission line with a dielectric, m = 1, 2, 3, ...), therefore, standing waves are established in the resonator;

- электромагнитные процессы, протекающие в резонаторе, приводят к тому, что резонатор является существенно узкополосным устройством, а именно на резонансных частотах коэффициент отражения электромагнитной волны по мощности имеет острый минимум;- electromagnetic processes occurring in the resonator lead to the fact that the resonator is a substantially narrow-band device, namely, at resonant frequencies, the reflection coefficient of the electromagnetic wave in power has a sharp minimum;

- величину минимума коэффициента отражения электромагнитной волны по мощности и частоту, на которой он достигается, измеряют на панорамном измерителе коэффициента отражения электромагнитных волн с высокой точностью,- the magnitude of the minimum reflection coefficient of an electromagnetic wave in power and the frequency at which it is achieved, is measured on a panoramic meter of reflection coefficient of electromagnetic waves with high accuracy,

позволит, используя узкополосные резонансные явления, максимально увеличить точность определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов.Using narrow-band resonance phenomena, it will maximize the accuracy of determining the complex permittivity of materials.

2. Благодаря тому, что2. Due to the fact that

- варакторный диод в рабочем состоянии, то есть при подаче на его металлические выводы постоянного напряжения от источника постоянного напряжения, представляет собой частотно-зависимую реактивную проводимость, включенную на конце второго отрезка металлической волноводной линии передачи;- a varactor diode in working condition, that is, when a constant voltage is supplied to its metal terminals from a constant voltage source, is a frequency-dependent reactive conductivity included at the end of the second segment of the metal waveguide transmission line;

- величина этой проводимости существенно влияет на величину коэффициента отражения электромагнитной волны по мощности;- the magnitude of this conductivity significantly affects the magnitude of the reflection coefficient of the electromagnetic wave in power;

- проводят измерение на панорамном измерителе коэффициента отражения электромагнитных волн трех минимальных значений коэффициента отражения электромагнитной волны по мощности и соответствующих им трех частот при трех значениях постоянного напряжения на варакторном диоде,- carry out a measurement on a panoramic meter of the reflection coefficient of electromagnetic waves of the three minimum values of the reflection coefficient of the electromagnetic wave in power and the corresponding three frequencies at three values of constant voltage on the varactor diode,

позволяет определить одновременно действительную и мнимую части комплексной диэлектрической проницаемости материалов.allows you to determine both the real and imaginary parts of the complex dielectric constant of materials.

3. При этом, как и в прототипе, величину минимума коэффициента отражения электромагнитной волны по мощности и частоту, на которой он достигается, измеряют на панорамном измерителе коэффициента отражения электромагнитных волн, что3. At the same time, as in the prototype, the magnitude of the minimum reflection coefficient of the electromagnetic wave in power and the frequency at which it is achieved, is measured on a panoramic meter of the reflection coefficient of electromagnetic waves, which

обеспечивает сохранение низкой стоимости используемой аппаратуры.ensures the low cost of the equipment used.

Таким образом, заявленное устройство позволит по сравнению с прототипом, используя узкополосные резонансные явления и трехкратные измерения коэффициента отражения электромагнитной волны по мощности и соответствующие им резонансные частоты при трех значениях напряжений на варакторном диоде, существенно увеличить точность определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов и одновременно определить действительную и мнимую части комплексной диэлектрической проницаемости материалов при сохранении низкой стоимости используемой аппаратуры.Thus, the claimed device will allow, in comparison with the prototype, using narrow-band resonance phenomena and triple measurements of the reflection coefficient of the electromagnetic wave in power and the corresponding resonant frequencies at three voltage values on the varactor diode, significantly increase the accuracy of determining the complex dielectric constant of materials and at the same time determine the real and imaginary parts of the complex dielectric constant of materials while maintaining low cost and used equipment.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 дан чертеж предложенного устройства для определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов в разрезе, где:In FIG. 1 is a drawing of the proposed device for determining the complex dielectric constant of materials in the context, where:

- первый и второй отрезки металлической волноводной линии передачи - 1 и 2 соответственно,- the first and second segments of a metal waveguide transmission line - 1 and 2, respectively,

- плоскопараллельная пластина из металла - 3, которая снабжена- plane-parallel plate of metal - 3, which is equipped

- окном - 4,- by the window - 4,

- варакторным диодом - 5,- varactor diode - 5,

- изолятором - 6,- insulator - 6,

- металлическими выводами - 7,- metal leads - 7,

- диэлектрик - 8,- dielectric - 8,

- исследуемый материал - 9.- studied material - 9.

На фиг. 2 дан общий вид экспериментальной установки для измерения комплексной диэлектрической проницаемости материалов:In FIG. Figure 2 gives a general view of an experimental setup for measuring the complex permittivity of materials:

- панорамный измеритель коэффициента отражения PNA-LN5230C - 1,- panoramic meter of reflection coefficient PNA-LN5230C - 1,

- коаксиальный кабель - 2,- coaxial cable - 2,

- коаксиально-волноводный переход - 3,- coaxial waveguide transition - 3,

- предлагаемое устройство - 4,- the proposed device is 4,

- исследуемый материал - 5.- the studied material - 5.

На фиг. 3 даны резонансные зависимости коэффициента отражения по мощности устройства от частоты для трех значений напряжения на варакторном диоде (кривая 1 при U₁=6 В, кривая 2 при U₂=8 В, кривая 3 при U₃=10 В).In FIG. Figure 3 shows the resonance dependences of the reflection coefficient for the device power on the frequency for three voltage values on a varactor diode (curve 1 at U ₁ = 6 V, curve 2 at U ₂ = 8 V, curve 3 at U ₃ = 10 V).

Заявленное устройство (фиг. 1) содержит второй отрезок металлической волноводной линии передачи 2, заполненный диэлектриком 8, с внутренним поперечным сечением с размерами широкой стороны стенки, равной а, и узкой, равной b, длиной L, кратной половине длины волны в отрезке металлической волноводной линии с диэлектриком, и плоскопараллельную пластину из металла 3, расположенную на конце второго отрезка металлической волноводной линии 2.The claimed device (Fig. 1) contains a second segment of a metal waveguide transmission line 2, filled with a dielectric 8, with an internal cross section with the dimensions of the wide side of the wall equal to a, and narrow equal to b, length L, a multiple of half the wavelength in the segment of the metal waveguide lines with a dielectric, and a plane-parallel plate of metal 3, located at the end of the second segment of the metal waveguide line 2.

В плоскопараллельной пластине из металла 3 выполнено окно 4 шириной а и высотой b с варакторным диодом 5, металлические выводы которого 7 отделены от металлической пластиной 3 изолятором 6.In a plane-parallel plate of metal 3, a window 4 is made of width a and height b with a varactor diode 5, the metal terminals of which 7 are separated from the metal plate 3 by an insulator 6.

Отрезок металлической волноводной линии передачи 1 одним концом посредством фланца подключен к волноводной линии передачи от источника электромагнитной волны сантиметрового или миллиметрового диапазона длин волн.A piece of metal waveguide transmission line 1 at one end is connected via a flange to the waveguide transmission line from an electromagnetic wave source of the centimeter or millimeter wavelength range.

Второй отрезок металлической волноводной линии передачи 2 одним концом приведен в контакт с поверхностью исследуемого материала 9.The second segment of the metal waveguide transmission line 2 at one end is brought into contact with the surface of the investigated material 9.

Другие концы первого и второго отрезков металлической волноводной линии передачи и плоскопараллельная пластина из металла 3 соединены между собой механически.The other ends of the first and second segments of the metal waveguide transmission line and a plane-parallel plate of metal 3 are mechanically interconnected.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

На варакторный диод от источника постоянного напряжения подается напряжение U_k, выводящее варакторный диод в рабочее состояние, при котором его емкость равнаA voltage U _k is supplied to the varactor diode from a constant voltage source, which brings the varactor diode to a working state at which its capacitance is

C_k=C₀(1+U_k/φ)^-0,5,C _k = C ₀ (1 + U _k / φ) ^-0.5 ,

гдеWhere

С₀ - емкость варакторого диода при U_k=0С ₀ - capacitance of a varactor diode at U _k = 0

φ - контактная разность потенциалов полупроводникового материала, из которого выполнен варакторный диод (для арсенида галлия φ=0,7 В) [3].φ is the contact potential difference of the semiconductor material from which the varactor diode is made (for gallium arsenide φ = 0.7 V) [3].

Реактивная относительная проводимость варакторного диода равнаThe reactive relative conductivity of a varactor diode is

Y_k=j b_k (f),Y _k = jb _k (f),

гдеWhere

j=(-1)^0,5 - мнимая единица,j = (- 1) ^0.5 - imaginary unit,

b_k (f)=2 πfC_k/Y_B,b _k (f) = 2 πfC _k / Y _B ,

гдеWhere

f- частота электромагнитной волны.f is the frequency of the electromagnetic wave.

Y_B - волновая проводимость отрезка волноводной линии передачи 1,Y _B is the wave conductivity of the segment of the waveguide transmission line 1,

Y_B={1-[λ/(2 а)]²} ^0,5 (120 π)^-1,Y _B = {1- [λ / (2 a)] ² } ^0.5 (120 π) ^-1 ,

гдеWhere

λ=с/f - длина электромагнитной волны,λ = s / f is the length of the electromagnetic wave,

с - скорость света в вакууме,C is the speed of light in vacuum,

π=3,1415…π = 3.1415 ...

При проведении измерений на измерительной установке, изображенной на фиг. 2, электромагнитная волна от панорамного измерителя коэффициента отражения 1 по коаксиальному кабелю 2 и коаксиально-волноводному переходу 3 поступает в заявленное устройство 4, где взаимодействует с исследуемым материалом 5.When taking measurements on the measuring apparatus shown in FIG. 2, the electromagnetic wave from the panoramic reflection coefficient meter 1 through the coaxial cable 2 and the coaxial waveguide transition 3 enters the claimed device 4, where it interacts with the test material 5.

Отраженная от устройства электромагнитная волна возвращается к панорамному измерителю, на экране которого отображается резонансная зависимость коэффициента отражения по мощности R_k(f) устройства от частоты f.The electromagnetic wave reflected from the device returns to the panoramic meter, on the screen of which the resonance dependence of the reflection coefficient in power R _k (f) of the device on the frequency f is displayed.

При подаче на варакторный диод последовательно трех величин постоянного напряжения U₁, U₂, U₃ относительная проводимость варакторного диода будет равна b₁, b₂, b₃ соответственно и значения коэффициента отражения по мощности устройства на резонансной частоте будут равны R₁(f₁), R₂(f₂), R₃(f₃).When applying three values of a constant voltage U ₁ , U ₂ , U ₃ to the varactor diode in series, the relative conductivity of the varactor diode will be equal to b ₁ , b ₂ , b _3, respectively, and the reflection coefficient of the device power at the resonant frequency will be equal to R ₁ (f ₁ ), R ₂ (f ₂ ), R ₃ (f ₃ ).

При этом активная и реактивная части относительной величины комплексной проводимости исследуемого материала у=g+j b определяются из выраженийIn this case, the active and reactive parts of the relative value of the complex conductivity of the studied material y = g + j b are determined from the expressions

g=0,25 (b₂₂-b₃₃)/(а₁₂-а₁₃),g = 0.25 (b ₂₂ -b ₃₃ ) / (a ₁₂ -a ₁₃ ),

b=0,5[а₁₃(b₁+b₂)-а₁₂(b₁+b₃)]/(а₁₂-а₁₃),b = 0.5 [a ₁₃ (b ₁ + b ₂ ) -a ₁₂ (b ₁ + b ₃ )] / (a ₁₂ -a ₁₃ ),

гдеWhere

a_1k=[R₁(f₁)-R_k(f_k)]/{[1-R₁(f₁)][1-R_k(f_k)][b₁₁-b_kk]},a _1k = [R ₁ (f ₁ ) -R _k (f _k )] / {[1-R ₁ (f ₁ )] [1-R _k (f _k )] [b ₁₁ -b _kk ]},

b₁₁=b₁(f₁),b ₁₁ = b ₁ (f ₁ ),

b_kk=b_k(f_k),b _kk = b _k (f _k ),

k=2, 3.k = 2, 3.

f₁, f₂, f₃ - резонансные частоты, на которых достигают минимума зависимости коэффициента отражения по мощности R₁(f), R₂(f), R₃(f) соответственно.f ₁ , f ₂ , f ₃ - resonant frequencies at which the dependence of the power reflection coefficient R ₁ (f), R ₂ (f), R ₃ (f) reaches a minimum, respectively.

Действительная ε′ и мнимая ε′′ составляющие комплексной диэлектрической проницаемости измеряемого материала рассчитываются по формуламThe real ε ′ and imaginary ε ′ ′ components of the complex dielectric constant of the measured material are calculated by the formulas

$$\epsilon \text{'}=\left(n_1^2-n_2^2\right)$$

, $$\epsilon \text{'}\text{'}=\left(n_{\mathrm{one}}^2-{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="n"\; filenames="00000004.png"\; state="\{\{state\}\}">n</figure-callout>}}_2^2\right)$$

,

ε′′=2 n₁ n₂,ε ′ ′ = 2 n ₁ n ₂ ,

гдеWhere

n₁=g{1-[λ/(2а)]²}^0,5,n ₁ = g {1- [λ / (2a)] ² } ^0.5 ,

n₂=b{1-[λ(2а)]²}^0,5.n ₂ = b {1- [λ (2a)] ² } ^0.5 .

Пример.Example.

Устройство было реализовано в миллиметровом диапазоне длин волн.The device was implemented in the millimeter wavelength range.

Первый 1 и второй 2 отрезки металлической волноводной линии передачи выполнены из меди одинакового прямоугольного внутреннего поперечного сечения с размером широкой стороны а=7,11 мм и узкой стороны b=3,56 мм. В плоскопараллельной пластине из металла 3 выполнено прямоугольное окно 4 с размерами, равными размерам внутреннего поперечного сечения отрезка волноводной линии и толщиной пластины 1 мм. Длина второго отрезка волноводной линии передачи 2 равна 3,1 мм. Внутренняя часть этого отрезка была заполнена диэлектриком - фторопластом с относительной диэлектрической проницаемостью 2,04.The first 1 and second 2 segments of the metal waveguide transmission line are made of copper of the same rectangular internal cross section with a wide side a = 7.11 mm and a narrow side b = 3.56 mm. In a plane-parallel plate of metal 3, a rectangular window 4 is made with dimensions equal to the dimensions of the internal cross section of a waveguide line segment and a plate thickness of 1 mm. The length of the second segment of the waveguide transmission line 2 is 3.1 mm. The inner part of this segment was filled with a dielectric - fluoroplastic with a relative permittivity of 2.04.

В плоскопараллельную пластину из металла 3 включен бескорпусной варакторный диод 5 типа «Параграф» [3] с максимальным значением емкости С₀=0,5 пФ, минимальным значением емкости 0,05 пФ и перекрытием по емкости - отношением максимального значения емкости к минимальному значению - равным 10.Paragraph type open-circuit varactor diode 5 is included in a plane-parallel plate made of metal 3 with a maximum capacitance value C ₀ = 0.5 pF, a minimum capacitance value of 0.05 pF and a capacitance overlap - the ratio of the maximum capacitance to the minimum value - equal to 10.

Для измерения малых изменений комплексной диэлектрической проницаемости материала работают в диапазоне модулей коэффициентов отражения по мощности (в логарифмическом масштабе) от минус 30 до минус 45 дБ. В этом случае погрешность измерений панорамным измерителем коэффициента отражения по мощности не превышает 1%, а резонансной частоты 0,01%.To measure small changes in the complex dielectric constant of the material, they work in the range of power reflection coefficient modules (on a logarithmic scale) from minus 30 to minus 45 dB. In this case, the measurement error of the panoramic power reflection coefficient meter does not exceed 1%, and the resonance frequency is 0.01%.

Исследовался материал - вода - при температуре 21°C в диапазоне частот 30 ГГц.We studied the material - water - at a temperature of 21 ° C in the frequency range 30 GHz.

На изготовленном образце устройства для трех значений постоянного напряжения на варактороном диоде, равных 6 В, 8 В и 10 В, были измерены резонансные зависимости коэффициентов отражения по мощности от частоты, которые показаны на фиг. 3. Минимальные значения коэффициентов отражения по мощности и соответствующие им резонансные частоты для каждого напряжения, определенные из фиг. 3, представлены в таблицеOn the fabricated sample of the device for three values of the constant voltage on the varactor diode, equal to 6 V, 8 V and 10 V, the resonance dependences of the power reflection coefficients on frequency were measured, which are shown in FIG. 3. The minimum values of the power reflection coefficients and the corresponding resonant frequencies for each voltage, determined from FIG. 3 are presented in table

На основании этих измеренных данных по приведенным выше формулам были рассчитаны действительная и мнимая составляющие комплексной диэлектрической проницаемости воды, которые равныBased on these measured data, the real and imaginary components of the complex dielectric constant of water, which are equal to

ε′=23,96,ε ′ = 23.96,

ε′′=31,89.ε ′ ′ = 31.89.

Таким образом, предложенное устройство позволит измерить коэффициент отражения по мощности с высокой точностью - 1%, что примерно в 5 раз больше точности прототипа и, как следствие, в 5 раз увеличить точность определения комплексной диэлектрической проницаемости материала.Thus, the proposed device will allow you to measure the power reflection coefficient with high accuracy - 1%, which is about 5 times more than the accuracy of the prototype and, as a result, 5 times increase the accuracy of determining the complex dielectric constant of the material.

Источники информацииInformation sources

1. Патент США. Patent US # 5,243,983. Sept. 14, 1993.1. US patent. US Patent # 5,243,983. Sept. 14, 1993.

2. Патент США. Patent US # 2006/0025664 A1, Published Feb. 2, 2006. - прототип.2. US patent. Patent US # 2006/0025664 A1, Published Feb. 2, 2006. - prototype.

3. Авторское свидетельство №475051. Приоритет от 20 декабря 1971.3. Copyright certificate No. 475051. Priority December 20, 1971.

Claims (1)

Устройство для определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов, содержащее
отрезок металлической волноводной линии передачи, снабженный фланцами с обоих концов, с размерами внутреннего поперечного сечения, при которых в отрезке металлической волноводной линии передачи распространяется электромагнитная волна сантиметрового или миллиметрового диапазонов длин волн,
плоскопараллельную пластину, расположенную на одном конце отрезка металлической волноводной линии перпендикулярно направлению распространения электромагнитной волны в металлической волноводной линии передачи,
при этом другой конец отрезка металлической волноводной линии передачи предназначен для соединения его с источником электромагнитной волны и измерителем коэффициента отражения электромагнитной волны, отличающееся тем, что
в устройство дополнительно введены
второй отрезок металлической волноводной линии передачи, снабженный фланцами с обоих концов, одинакового внутреннего поперечного сечения с первым отрезком металлической волноводной линии передачи,
варакторный диод,
внутренняя часть второго отрезка металлической волноводной линии передачи заполнена диэлектриком,
плоскопараллельная пластина выполнена из металла и снабжена окном с размерами, равными размерам внутреннего поперечного сечения отрезка металлической волноводной линии передачи,
варакторный диод включен посередине широкой стенки окна в плоскопараллельной пластине,
металлические выводы варакторного диода и плоскопараллельная пластина разделены изолятором,
фланец другого конца отрезка металлической волноводной линии передачи, плоскопараллельная пластина и фланец одного конца второго отрезка металлической волноводной линии передачи соединены между собой механически,
другой конец второго отрезка металлической волноводной линии передачи предназначен для контакта с измеряемыми материалами,
длина второго отрезка металлической волноводной линии передачи кратна половине длины электромагнитной волны во втором отрезке металлической волноводной линии передачи с диэлектриком. A device for determining the complex dielectric constant of materials containing
a section of a metal waveguide transmission line equipped with flanges at both ends, with dimensions of the internal cross section, in which an electromagnetic wave of a centimeter or millimeter wavelength range propagates in a section of a metal waveguide transmission line,
a plane-parallel plate located at one end of a segment of a metal waveguide line perpendicular to the direction of propagation of the electromagnetic wave in the metal waveguide transmission line,
while the other end of the metal waveguide transmission line is designed to connect it to a source of electromagnetic waves and a meter of the reflection coefficient of the electromagnetic wave, characterized in that
additionally introduced into the device
a second segment of a metal waveguide transmission line provided with flanges at both ends of the same internal cross section with a first segment of a metal waveguide transmission line,
varactor diode
the inside of the second segment of the metal waveguide transmission line is filled with a dielectric,
a plane-parallel plate is made of metal and is equipped with a window with dimensions equal to the dimensions of the internal cross section of a section of a metal waveguide transmission line,
a varactor diode is turned on in the middle of a wide window wall in a plane-parallel plate,
the metal leads of the varactor diode and the plane-parallel plate are separated by an insulator,
a flange of the other end of the segment of the metal waveguide transmission line, a plane-parallel plate and a flange of one end of the second segment of the metal waveguide transmission line are mechanically connected,
the other end of the second segment of the metal waveguide transmission line is intended for contact with the measured materials,
the length of the second segment of the metal waveguide transmission line is a multiple of half the length of the electromagnetic wave in the second segment of the metal waveguide transmission line with a dielectric.

Images