RU2810948C1 - Device for measuring spectra of ground dielectric constant in wide frequency band based on symmetrical strip line - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: measurement techniques in the VHF and UHF ranges can be used for non-destructive measurement of the comprehensive ground dielectric constant spectra in field conditions. A device for measuring the spectra of the ground dielectric constant in a wide frequency band, which is a segment of a symmetrical strip line (SSL) with thin current-carrying conductors, allowing for minimal impact on the ground during field measurements and increasing the upper limit of the measured spectrum of the ground dielectric constant, containing a working area for filling the substance under study and two transition parts from the input coaxial line to the working area and back from the end of the working area to the output coaxial line, filled with a solid dielectric, the distance between the external electrodes of the SSL in the transition parts from the coaxial UHF connectors at the input and output to the working area filled with the dielectric under study, changes from a minimum distance equal to the outer diameter of the UHF connector to a distance equal to the distance between the external electrodes of the SSL in the working area, according to a linear law, while the width of the central strip changes accordingly so as to provide a characteristic impedance equal to a resistance of 50 Ohms generator in each section of the transition parts.

EFFECT: increasing the frequency of measuring complex dielectric constant using a segment of a symmetrical strip line with a large cross section.

1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к технике измерений в УКВ и СВЧ диапазонах и может использоваться для неразрушающего измерения спектров комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) почв в лабораторных и полевых условиях. The invention relates to measurement techniques in the VHF and microwave ranges and can be used for non-destructive measurement of complex dielectric constant (CDP) spectra of soils in laboratory and field conditions.

Известны способы измерения КДП с помощью устройств на основе симметричной полосковой линии (СПЛ) в различных частотных диапазонах. There are known methods for measuring CDP using devices based on a symmetrical strip line (SPL) in various frequency ranges.

Например, описанный в [Gallagher C. P., N. Cole, P. P. Savage, C. McKeever, J. R. Sambles, and A. P. Hibbins A. Broadband Stripline Technique for Characterizing Relative Permittivity and Permeability // IEEE Trans. Microwave Theory and Techn. 2019. Vol. 67, No. 1, P. 231 – 238. DOI: 10.1109/TMTT.2018.2851563] метод обеспечивает измерение диэлектрических свойств твердых материалов в диапазоне частот от 200 МГц до 50 ГГц с погрешностью до 10%. Расстояние между внешними проводниками полосковой линии составляло 3 мм.For example, described in [C. P. Gallagher, N. Cole, P. P. Savage, C. McKeever, J. R. Sambles, and A. P. Hibbins A. “Broadband Stripline Technique for Characterizing Relative Permittivity and Permeability,” IEEE Trans. Microwave Theory and Techn. 2019. Vol. 67, No. 1, P. 231 – 238. DOI: 10.1109/TMTT.2018.2851563] method provides measurement of the dielectric properties of solid materials in the frequency range from 200 MHz to 50 GHz with an error of up to 10%. The distance between the outer conductors of the strip line was 3 mm.

Недостатком данного решения является малое расстояние между внешними проводниками полосковой линии, что не позволяет помещать почвы с крупными размерами почвенных частиц и почвенных агрегатов размером до 8-10 мм, составляющих почвы естественного сложения.The disadvantage of this solution is the small distance between the external conductors of the strip line, which does not allow placing soils with large soil particles and soil aggregates up to 8-10 mm in size, which make up natural soils.

Известен способ, описанный в работе [Lawrence K. C., Funk D. B., Windham W. R. Dielectric moisture sensor for cereal grains and soybeans // Trans. ASAE. 2001. 44(6). 1691–1696. DOI:10.13031/2013.6979] где описана ячейка на основе СПЛ общей длиной 60 см с расстоянием между внешними проводниками 6,2 см и шириной центральной полоски 9 см. Длина переходной части от коаксиального разъема до рабочей области составляла 28,24 см. The known method is described in [Lawrence K. C., Funk D. B., Windham W. R. Dielectric moisture sensor for cereal grains and soybeans // Trans. ASAE. 2001. 44(6). 1691–1696. DOI:10.13031/2013.6979] where a cell based on SPL is described with a total length of 60 cm with a distance between the outer conductors of 6.2 cm and a width of the central strip of 9 cm. The length of the transition part from the coaxial connector to the working area was 28.24 cm.

В работах [Funk, D. B., Z. Gillay, and P. Meszaros. Unified moisture algorithm for improved RF dielectric grain moisture. Meas. Sci. Tech. 2007. 18: 1004-1015. DOI:10.1088/0957-0233/18/4/007], [Funk D. B., Z. Gillay, Dielectric reference materials for mathematically modeling and standardizing grain moisture meters // Trans. ASABE. 2010. v.53 no.1. pp. 271-281. DOI:10.13031/2013.29492] для увеличения верхней частоты используют ячейки на базе СПЛ с меньшими размерами поперечного сечения: расстояние между внешними электродами составляло 50,8–53,6 мм при ширине полоски 76,2 мм. Переходные области имели длину 63,7 мм, а общая длина ячейки – 230 мм. Измерения диэлектрической проницаемости проводились в диапазоне частот ниже 250 МГц.In [Funk, D. B., Z. Gillay, and P. Meszaros. Unified moisture algorithm for improved RF dielectric grain moisture. Meas. Sci. Tech. 2007. 18: 1004-1015. DOI:10.1088/0957-0233/18/4/007], [Funk D. B., Z. Gillay, Dielectric reference materials for mathematically modeling and standardizing grain moisture meters // Trans. ASAB. 2010. v.53 no.1. pp. 271-281. DOI:10.13031/2013.29492] to increase the upper frequency, cells based on SPLs with smaller cross-sectional dimensions are used: the distance between the external electrodes was 50.8–53.6 mm with a strip width of 76.2 mm. The transition regions were 63.7 mm long, and the total cell length was 230 mm. Dielectric constant measurements were carried out in the frequency range below 250 MHz.

Недостатком данных решений является малый диапазон частот: до 250 МГц, что не позволяет измерять спектры диэлектрической проницаемости до частот 5-6 ГГц, где отсутствуют процессы диэлектрической релаксации в почвах и основное влияние на комплексную диэлектрическую проницаемость (КДП) оказывает ориентационная поляризация молекул свободной и связанной воды. The disadvantage of these solutions is the small frequency range: up to 250 MHz, which does not allow measuring dielectric constant spectra up to frequencies of 5-6 GHz, where there are no processes of dielectric relaxation in soils and the main influence on the complex dielectric constant (CDP) is exerted by the orientational polarization of free and bound molecules water.

Измеряемый диапазон частот ограничивается сверху возникновением волн высших типов. Первой волной высшего типа является волна Н⁽¹⁾. Критическая длина волны для этого типа (при воздушном заполнении) может быть определена из приближенного выражения (Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств / С.И. Бахарев и др.; Под ред. В.И. Вольмана. – М.: Радио и связь, 1982. – 328 с.):The measured frequency range is limited from above by the occurrence of waves of higher types. The first wave of the highest type is wave H ⁽¹⁾ . The critical wavelength for this type (with air filling) can be determined from an approximate expression (Handbook for the calculation and design of microwave strip devices / S.I. Bakharev et al.; Edited by V.I. Volman. - M.: Radio and communication, 1982. – 328 pp.):

λ_кр=2w(1+πb/4w),λ _cr =2 w (1+π b /4 w ),

где w –ширина центральной полоски, b – расстояние между внешними проводниками. При заполнении СПЛ диэлектриком критическая длина волны возрастает пропорционально корню квадратному из действительной части КДП. Таким образом, повышение рабочей частоты требует уменьшения размеров поперечного сечения СПЛ и, в частности, ширины центральной полоски.where w is the width of the central strip, b is the distance between the outer conductors. When the SPL is filled with a dielectric, the critical wavelength increases in proportion to the square root of the real part of the CDP. Thus, increasing the operating frequency requires reducing the cross-sectional dimensions of the SPL and, in particular, the width of the central strip.

Для измерения диэлектрической проницаемости почв, размеры частиц в которых достигают нескольких миллиметров, а размеры почвенных агрегатов могут быть около 1 см, обусловливают применение СПЛ с расстоянием между электродами 10-15 мм (расстоянием между внешними проводниками не менее 20-30 мм). Расчеты показывают, что при воздушном заполнении СПЛ с расстоянием b = 28 мм волновое сопротивление 50 Ом достигается при ширине w = 40,4 мм. При этом критическая длина волны приближенно равна 12,5 см (критическая частота 2,4 ГГц). Кроме того, рабочий диапазон может быть ограничен возникновением паразитных колебаний из-за нерегулярностей в области перехода от коаксиального разъёма к рабочей области.To measure the dielectric constant of soils, in which particle sizes reach several millimeters, and the size of soil aggregates can be about 1 cm, it is necessary to use SPL with a distance between electrodes of 10-15 mm (the distance between external conductors is at least 20-30 mm). Calculations show that when the SPL is filled with air with a distance b = 28 mm, a wave impedance of 50 Ohms is achieved at a width w = 40.4 mm. In this case, the critical wavelength is approximately 12.5 cm (critical frequency 2.4 GHz). In addition, the operating range may be limited by the occurrence of spurious oscillations due to irregularities in the transition region from the coaxial connector to the operating region.

Наиболее близким техническим решением является устройство для измерения спектров диэлектрической проницаемости почв на основе симметричной полосковой линии (Заявка о выдаче патента РФ на изобретение. Устройство для измерения спектров диэлектрической проницаемости почв на основе симметричной полосковой линии / Бобров П. П., Костычов Ю. А., Кривальцевич С.В. Регистрационный № 2023101249 от 20.01.2023. Получено уведомление о выдаче патента 01.03.2023), в котором задача уменьшения ширины центральной полоски без уменьшения расстояния между внешними электродами решается тем, что переходные части от коаксиального разъема на входе до рабочей области, заполняемой исследуемым диэлектриком, и от рабочей области до выходного разъема заполнены твердым диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε’ ₁ и малыми потерями. При этом ширина центральной полоски, необходимая для согласования с 50-омным входом ячейки, меньше, чем при воздушном заполнении, меньше также и длина переходной части. Во избежание возникновения дополнительных нерегулярностей в линии ширина полоски одинакова по всей длине ячейки (как в коаксиально-полосковых переходах, так и в рабочей области) и меньше, чем при воздушном заполнении линии с волновым сопротивлением 50 Ом. Возрастание волнового сопротивления в рабочей области в √ε’ ₁ раз учитывается при расчете КДП исследуемого вещества. The closest technical solution is a device for measuring the spectra of dielectric constant of soils based on a symmetric strip line (Application for a RF patent for an invention. Device for measuring spectra of dielectric constant of soils based on a symmetric strip line / Bobrov P. P., Kostychov Yu. A. , Krivaltsevich S.V. Registration No. 2023101249 dated January 20, 2023. Notification of the grant of a patent was received on March 1, 2023), in which the problem of reducing the width of the central strip without reducing the distance between the external electrodes is solved by the fact that the transition parts from the coaxial connector at the input to the working The area filled with the dielectric under study, and from the working area to the output connector, is filled with a solid dielectric with a dielectric constant ε' ₁ and low losses. In this case, the width of the central strip required to match the 50-ohm input of the cell is less than with air filling, and the length of the transition part is also less. To avoid the occurrence of additional irregularities in the line, the width of the strip is the same along the entire length of the cell (both in coaxial-strip junctions and in the working region) and is smaller than when filling a line with an air impedance of 50 Ohms. An increase in wave resistance in the working area by √ε' ₁ time is taken into account when calculating the efficiency coefficient of the substance under study.

Недостатком указанного устройства является плохое согласование на частотах выше 2,5 ГГц в точках подключения широкой центральной полоски к входному и выходному коаксиальным СВЧ разъемам с малыми диаметрами внешнего и внутреннего проводников. The disadvantage of this device is poor matching at frequencies above 2.5 GHz at the points where the wide central strip is connected to the input and output coaxial microwave connectors with small diameters of the outer and inner conductors.

Технической задачей заявляемого решения является расширение спектра измеряемых частот в сторону увеличения максимальной частоты измеряемых спектров КДП почв. Эта задача решается тем, что устройство на основе симметричной полосковой линии с тонкими токонесущими проводниками, позволяющими обеспечить минимальное воздействие на почву при полевых измерениях, выполнено с возможностью улучшения согласования и выравнивания фронта электромагнитной волны, для чего содержит две переходных части от входной коаксиальной линии до рабочей области и обратно от конца рабочей области до выходной коаксиальной линии, в которых расстояние между внешними электродами СПЛ от коаксиальных СВЧ разъемов на входе и выходе до рабочей области, заполняемой исследуемым диэлектриком, изменяется от минимального расстояния, равного внешнему диаметру СВЧ разъема, до расстояния, равного расстоянию между внешними электродами СПЛ в рабочей области, по линейному закону. При этом для того, чтобы обеспечить волновое сопротивление 50 Ом в каждых сечениях переходных частей ширина центральной полоски определяется из уравнения (Ганстон М.А.Р. Справочник по волновым сопротивлениям фидерных линий СВЧ. Пер. с англ. Под ред. А.З. Фрадина. – М.: Связь, 1976, стр. 47):The technical objective of the proposed solution is to expand the range of measured frequencies in the direction of increasing the maximum frequency of the measured spectra of soil CDP. This problem is solved by the fact that a device based on a symmetrical strip line with thin current-carrying conductors, allowing for minimal impact on the soil during field measurements, is designed to improve the matching and alignment of the electromagnetic wave front, for which it contains two transition parts from the input coaxial line to the working areas and back from the end of the working area to the output coaxial line, in which the distance between the external electrodes of the SPL from the coaxial microwave connectors at the input and output to the working area filled with the dielectric under study changes from a minimum distance equal to the outer diameter of the microwave connector to a distance equal to the distance between the external electrodes of the SPL in the working area, according to the linear law. Moreover, in order to ensure a wave impedance of 50 Ohms in each section of the transition parts, the width of the central strip is determined from the equation (Ganston M.A.R. Handbook on the wave impedances of microwave feeder lines. Translated from English. Edited by A.Z. Fradina. - M.: Communication, 1976, p. 47):

(1)(1)

Здесь Z₀=50 Ом – волновое сопротивление подводящей линии; $$x=\frac{1}{1-t/b},$$ $$F(x)=\frac{{\left(x+1\right)}^{x+1}}{{\left(x-1\right)}^{x-1}},$$
t – толщина центральной полоски.Here Z ₀ =50 Ohm is the characteristic impedance of the supply line; $$x=\frac{1}{1-t/b},$$ $$F(x)=\frac{{\left(x+1\right)}^{x+1}}{{\left(x-1\right)}^{x-1}},$$
t – thickness of the central strip.

Данные, полученные из уравнения (1), имеют точность выше 1% при следующем условии:The data obtained from equation (1) has an accuracy greater than 1% under the following condition:

w/b ≥ 0,35(1 – t/b). w/b ≥ 0.35(1 – t/b ).

На фиг. 1 представлен общий вид заявляемого устройства (измерительной ячейки) для измерения спектров диэлектрической проницаемости почв ячейки на базе СПЛ и вид со снятой верхней крышкой. Ячейка содержит корпус 1 с размещенным на нем входным и выходным коаксиальными СВЧ разъемами 2; проводящую центральную полоску 3; в средней части выполнена рабочая область для заполнения исследуемой почвой 4; на концах полосковой линии расположены две переходных части одинаковой длины 5, заполненные твердым диэлектриком, расстояние между внешними электродами которой изменяется от 6 до 28,5 мм. Оптимальная длина участка переходной части, в котором изменяются расстояния между электродами, найдена электродинамическим моделированием методом конечных элементов и составляет l = 0.75b, где b – расстояние между внешними электродами (см. фиг. 2). In fig. Figure 1 shows a general view of the inventive device (measuring cell) for measuring the spectra of the dielectric constant of soils of the cell based on SPL and the view with the top cover removed. The cell contains a housing 1 with input and output coaxial microwave connectors 2 placed on it; conductive central strip 3 ; in the middle part there is a working area for filling with the studied soil 4 ; at the ends of the strip line there are two transition parts of the same length 5 filled with a solid dielectric, the distance between the external electrodes of which varies from 6 to 28.5 mm. The optimal length of the section of the transition part, in which the distances between the electrodes change, was found by electrodynamic modeling using the finite element method and is l = 0.75 b , where b is the distance between the external electrodes (see Fig. 2).

На фиг. 2 представлена блок-схема измерительной ячейки. In fig. Figure 2 shows a block diagram of the measuring cell.

На фиг. 3 представлен общий вид калибровочной ячейки, содержащей только переходные части, идентичные таковым в измерительной ячейке. Ячейка содержит корпус 1 с размещенным на нем входным и выходным коаксиальными СВЧ разъемами 2; проводящую центральную полоску 3; две переходных части одинаковой длины 4, заполненные твердым диэлектриком, расстояние между внешними электродами которой изменяется от 6 до 28,5 мм. In fig. Figure 3 shows a general view of a calibration cell containing only transition parts identical to those in the measuring cell. The cell contains a housing 1 with input and output coaxial microwave connectors 2 placed on it; conductive central strip 3 ; two transition parts of the same length 4 , filled with a solid dielectric, the distance between the external electrodes of which varies from 6 to 28.5 mm.

Измерение КДП ε* =ε' – iε'' исследуемого вещества в диапазоне частот от 25-30 МГц до 8 ГГц производится следующим образом. СВЧ разъемы с помощью кабелей подключаются к разъемам векторного анализатора цепей (использовался Rohde & Schwarz ZNB8). Затем производится калибровка для учета суммарного набега фазы Δϕ_1-3, 4-6 между границами 1–3 и 4–6 (см. фиг. 2). Для этого измеряется комплексный коэффициент передачи (S ₁₂) калибровочной ячейки, содержащей только переходные части (см. фиг. 3) с нулевым расстоянием между границами 3–4, и находится частотная зависимость значений Δϕ_1-3, 4-6.Measurement of the CDP ε* =ε' – i ε'' of the test substance in the frequency range from 25-30 MHz to 8 GHz is carried out as follows. Microwave connectors are connected using cables to the connectors of a vector network analyzer (Rohde & Schwarz ZNB8 was used). Then calibration is performed to take into account the total phase shift Δϕ _{1-3, 4-6} between boundaries 1–3 and 4–6 (see Fig. 2). To do this _, the complex transmission coefficient ( S12 ) of a calibration cell containing only transition parts (see Fig. 3) with zero distance between boundaries 3–4 is measured, and the frequency dependence of the values Δϕ _{1-3, 4-6} is found.

Затем рабочая область измерительной ячейки заполняется исследуемым веществом и измеряется параметр S ₁₂ между границами 1–6. Для нахождения параметра S ₁₂ между границами 3 и 4 рабочей области из измеренной фазы вычитается суммарный фазовый набег Δϕ_{1-3, 4-6} между границами 1–3 и 4–6. Далее методом минимизации невязки между измеренными и вычисленными значениями параметра S ₁₂ находятся ε’ и ε’’. Then the working area of the measuring cell is filled with the substance under study and the parameter S ₁₂ is measured between boundaries 1–6. To find the parameter S ₁₂ between boundaries 3 and 4 of the working area, the total phase shift Δϕ _{1-3, 4-6} between boundaries 1–3 and 4–6 is subtracted from the measured phase. Next, using the method of minimizing the discrepancy between the measured and calculated values of the parameter S _12, ε' and ε'' are found.

Расчетное значение параметра S ₁₂ между границами 3 и 4 рабочей области с образцом определяется по формуле для диэлектрического слоя:The calculated value of parameter S ₁₂ between boundaries 3 and 4 of the working area with the sample is determined by the formula for the dielectric layer:

$$S_{12}=\frac{T_3{T}_4\exp (ikd)}{1-{Г}_3{Г}_4\exp (ikd)}$$ , $$S_{12}=\frac{T_3{T}_4\exp (ikd)}{1-G_3{G}_4\exp (ikd)}$$ ,

где Т ₁, Т ₂ – френелевские коэффициенты передачи на границах диэлектрического слоя; Г ₁, Г ₂ – френелевские коэффициенты отражения на этих границах; $$k\text{ = }\omega \sqrt{\epsilon *}/c$$ – волновое число в исследуемом веществе, где ω – циклическая частота, с - скорость электромагнитной волны в вакууме; d – длина рабочей области; i ² = –1.where T ₁ , T ₂ are Fresnel transmission coefficients at the boundaries of the dielectric layer; Г ₁ , Г ₂ – Fresnel reflection coefficients at these boundaries; $$k\text{=}\omega \sqrt{\epsilon *}/c$$ – wave number in the substance under study, where ω – cyclic frequency, с – speed of the electromagnetic wave in vacuum; d – length of the working area; i ² = –1.

Измерение КДП исследуемого вещества в диапазоне частот от 0,2–1 МГц до 25–30 МГц производится следующим образом. Один из СВЧ разъемов ячеек с помощью кабелей подключается к одному из разъемов векторного анализатора цепей (использовался Rohde & Schwarz ZNB8). Затем измеряются комплексные коэффициенты отражения (S ₁₁) калибровочной и пустой измерительной ячеек при осуществлении режима холостого хода на выходных СВЧ разъемах. Учитывая, что на этих частотах ячейки представляют собой сосредоточенные емкости, находим комплексные импедансы ячеек по формуле:Measurement of the CDP of the test substance in the frequency range from 0.2–1 MHz to 25–30 MHz is carried out as follows. One of the microwave connectors of the cells is connected using cables to one of the connectors of the vector network analyzer (Rohde & Schwarz ZNB8 was used). Then the complex reflection coefficients ( S ₁₁ ) of the calibration and empty measuring cells are measured when the idling mode is implemented at the microwave output connectors. Considering that at these frequencies the cells are lumped capacitances, we find the complex impedances of the cells using the formula:

$$Z_i=Z_0\frac{1+S_{11}}{1-S_{11}}$$ , $$Z_i=Z_0\frac{1+S_{\mathrm{eleven}}}{1-S_{\mathrm{eleven}}}$$ ,

где Z₀=50 Ом – волновое сопротивление подводящей линии; Z _i –комплексные импедансы ячеек (подстрочный индекс i = к означает калибровочную ячейку, i = и – измерительную ячейку). Комплексный импеданс пустой рабочей области Z ₁ измерительной ячейки определится по формуле: where Z ₀ =50 Ohm – characteristic impedance of the supply line; Z _i – complex impedances of cells (subscript i = k means calibration cell, i = i – measuring cell). The complex impedance of the empty working area Z ₁ of the measuring cell is determined by the formula:

Z ₁  = Z _и – Z _к ,Z ₁ = Z _and – Z _k ,

Комплексная проводимость пустой рабочей части ячейки Y ₁ может быть представлена в следующем виде: The complex conductivity of the empty working part of the cell Y ₁ can be represented in the following form:

$$Y_1=\frac{1}{Z_1}=\sigma \frac{C_0}{{\epsilon }_0}+i\omega C_0$$ , $$Y_1=\frac{1}{Z_1}=\sigma \frac{C_0}{{\epsilon }_0}+i\omega C_0$$ ,

где σ и C ₀ – удельная электропроводность и емкость пустой рабочей области, соответственно; ε₀ = 8,854 ⋅ 10^-12 Ф/м – диэлектрическая постоянная. Удельная электропроводность пустой рабочей области пренебрежимо мала (~ 10^-6 См/м), поэтому из последнего выражения можно найти емкость C ₀ рабочей области измерительной ячейки. where σ and C ₀ – electrical conductivity and capacitance of the empty working area, respectively; ε ₀ = 8.854 ⋅ 10 ^-12 F/m – dielectric constant. The specific electrical conductivity of the empty working area is negligible (~ 10 ^-6 S/m), therefore, from the last expression we can find the capacitance C ₀ of the working area of the measuring cell.

Затем рабочая область измерительной ячейки заполняется исследуемым веществом и аналогично определяется комплексная проводимость заполненной ячейки:Then the working area of the measuring cell is filled with the substance under study and the complex conductivity of the filled cell is determined in a similar way:

$$Y_2={\sigma }_{э}\frac{C_0}{{\epsilon }_0}+i\omega \epsilon \text{'}{C}_0$$ , $$Y_2={\sigma }_{\mathrm{uh}}\frac{C_0}{{\epsilon }_0}+i\omega \epsilon \text{'}{C}_0$$ ,

где σ _э = ωε₀ε" – эквивалентная удельная электропроводность исследуемого вещества. Окончательно действительная ε' и мнимая ε" части КДП исследуемого вещества определяются из выражений:where σ _e = ωε ₀ ε" is the equivalent specific electrical conductivity of the test substance. The final real ε' and imaginary ε" parts of the CDP of the test substance are determined from the expressions:

$$\epsilon \text{'}=\frac{\mathrm{Im}\left|Y_2\right|}{\omega C_0}$$ , $$\epsilon "=\frac{\mathrm{Re}\left|Y_2\right|}{\omega {С}_0}$$ . $$\epsilon \text{'}=\frac{\mathrm{Im}\left|Y_2\right|}{\omega C_0}$$ , $$\epsilon "=\frac{\mathrm{Re}\left|Y_2\right|}{\omega {\mathrm{WITH}}_0}$$ .

Для проверки заявленного технического решения были проведены экспериментальные измерения КДП калибровочных жидкостей и влажного песка в заявляемой ячейке с переходными частями, заполненными твердым диэлектриком с ε'= 2,05, в которых расстояние между внешними электродами изменяется от 6 до 28,5 мм.To verify the claimed technical solution, experimental measurements of the efficiency coefficient of calibration liquids and wet sand were carried out in the proposed cell with transition parts filled with a solid dielectric with ε'= 2.05, in which the distance between the external electrodes varies from 6 to 28.5 mm.

На фиг. 4 приведены результаты измерения в заявляемом устройстве действительной и мнимой частей КДП этилового спирта 95% при температуре 25° С. В диапазоне частот от 0,2 МГц до 6,3 ГГц средние значения отклонений от модельных значений не превышают 1,5 % по ε' и 6 % по ε'', за исключением диапазона частот от 26 до 55 МГц, где отклонения ε'' возрастают до 15 – 60% из-за низких значений ε''. In fig. Figure 4 shows the results of measurements in the inventive device of the real and imaginary parts of the efficiency coefficient of ethyl alcohol 95% at a temperature of 25 ° C. In the frequency range from 0.2 MHz to 6.3 GHz, the average deviations from the model values do not exceed 1.5% in ε' and 6% in ε'', with the exception of the frequency range from 26 to 55 MHz, where deviations in ε'' increase to 15 - 60% due to low ε'' values.

Здесь и далее сплошные линии – расчет КДП жидкостей по модели Дебая с параметрами, приведенными в работе [Gregory A. P., Clarke R. N. Tables of the complex permittivity of dielectric reference liquids at frequencies up to 5 GHz. /NPL Report MAT 23. Jan. 2012. URL : https://www.semanticscholar.org/paper/Tables-of-the-complex-permittivity-of-dielectric-at-Gregory-Clarke/fb86eac40025c90dd8d9dfaa5a50244869dabab7].Here and below, solid lines indicate the calculation of the CDP of liquids using the Debye model with the parameters given in [Gregory A. P., Clarke R. N. Tables of the complex permittivity of dielectric reference liquids at frequencies up to 5 GHz. /NPL Report MAT 23. Jan. 2012. URL: https://www.semanticscholar.org/paper/Tables-of-the-complex-permittivity-of-dielectric-at-Gregory-Clarke/fb86eac40025c90dd8d9dfaa5a50244869dabab7].

На фиг. 5 приведены результаты измерения в заявляемом устройстве действительной и мнимой частей КДП изопропилового спирта 99,9% при температуре 25°С. В диапазоне частот от 1 МГц до 6,3 ГГц средние значения отклонений от модельных значений не превышают 2,5 % по ε' и 9 % по ε'', за исключением диапазона частот от 160 до 300 МГц, где отклонения ε'' возрастают до 20 % In fig. Figure 5 shows the results of measuring the real and imaginary parts of the CDP of isopropyl alcohol 99.9% at a temperature of 25°C in the inventive device. In the frequency range from 1 MHz to 6.3 GHz, the average deviations from the model values do not exceed 2.5% in ε' and 9% in ε'', with the exception of the frequency range from 160 to 300 MHz, where the deviations in ε'' increase up to 20%

На фиг. 6 приведены результаты измерения в заявляемом устройстве действительной и мнимой частей КДП мелкозернистого песка, увлажненного слабым солевым раствором до влажности 18,8%. In fig. Figure 6 shows the results of measuring in the inventive device the real and imaginary parts of the CDP of fine-grained sand, moistened with a weak saline solution to a moisture content of 18.8%.

Преимущество заявленного технического решения заключается в увеличении верхней частоты измеряемого спектра КДП почв с 2,5 до 6,3 ГГц по сравнению с прототипом при таком же расстоянии между внешними электродами в рабочей области. The advantage of the claimed technical solution is to increase the upper frequency of the measured spectrum of soil CDP from 2.5 to 6.3 GHz compared to the prototype with the same distance between the external electrodes in the working area.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-27-10037, https://rscf.ru/project/23-27-10037/The study was supported by the Russian Science Foundation grant No. 23-27-10037, https://rscf.ru/project/23-27-10037/

Claims (1)

Устройство для измерения спектров диэлектрической проницаемости почв в широкой полосе частот, представляющее собой отрезок симметричной полосковой линии (СПЛ) с тонкими токонесущими проводниками, позволяющими обеспечить минимальное воздействие на почву при полевых измерениях и повысить верхнюю границу измеряемого спектра диэлектрической проницаемости почв, содержащее рабочую область для заполнения исследуемым веществом и две переходных части от входной коаксиальной линии до рабочей области и обратно от конца рабочей области до выходной коаксиальной линии, заполненные твердым диэлектриком, отличающееся тем, что расстояние между внешними электродами СПЛ в переходных частях от коаксиальных СВЧ разъемов на входе и выходе до рабочей области, заполняемой исследуемым диэлектриком, изменяется от минимального расстояния, равного внешнему диаметру СВЧ разъема, до расстояния, равного расстоянию между внешними электродами СПЛ в рабочей области, по линейному закону, при этом соответствующим образом изменяется ширина центральной полоски таким образом, чтобы обеспечить волновое сопротивление, равное сопротивлению 50 Ом генератора в каждых сечениях переходных частей. A device for measuring the spectra of the dielectric constant of soils in a wide frequency band, which is a segment of a symmetrical strip line (SSL) with thin current-carrying conductors, allowing for minimal impact on the soil during field measurements and increasing the upper limit of the measured spectrum of the dielectric constant of soils, containing a working area for filling the substance under study and two transition parts from the input coaxial line to the working area and back from the end of the working area to the output coaxial line, filled with a solid dielectric, characterized in that the distance between the external SPL electrodes in the transition parts from the coaxial microwave connectors at the input and output to the working the area filled with the dielectric under study changes from a minimum distance equal to the outer diameter of the microwave connector to a distance equal to the distance between the external electrodes of the SPL in the working area, according to a linear law, while the width of the central strip changes accordingly in such a way as to ensure wave impedance, equal to the resistance of 50 Ohms of the generator in each section of the transition parts.