DE2221213A1

DE2221213A1 - PROCEDURE FOR DETERMINING THE DIELECTRICITY CONSTANTS OF A SAMPLE

Info

Publication number: DE2221213A1
Application number: DE19722221213
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl-Ing Gruenbeck; Norbert Dipl-Ing Hecker
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1972-04-29
Filing date: 1972-04-29
Publication date: 1973-11-15

Description

Verfahrenzum Bestimmen der Dielektrizitätskonstanten eines Probekörpers Die Erfindung betrifft ein Verfahren zumBestimmen der Dielektrizitätskonstanteneines Probekörpers durch Messung derjenigen Resonanzverschiebungeines Hohlraumresonators, die bei dessen Belastung durch den Probekörper auftritt und ein Maß für die'Dielektrizitätskonstante. Method for determining the dielectric constant of a specimen The invention relates to a method for determining the dielectric constant of a Test specimen by measuring the resonance shift of a cavity resonator, which occurs when it is loaded by the test specimen and a measure of the dielectric constant.

darstellt.represents.

Verfahren dieser Art sind bekannt und dienen der Lösung der in der Praxis häufig auftretenden Aufgabe, die Dielektrizitätskonstante verschiedener Materialien bei hohen Frequenzen beispielsweise des Mikrowellengebietes zu bestimmen.Processes of this type are known and are used to solve the problems in the Practice common task, the dielectric constant different To determine materials at high frequencies, for example of the microwave range.

Bei bestimmten Verfahren dieser Art wird ein in seinen Abmessungen genau bekannter Probekorper des zu untersuchenden Materials in einen Hohlraumresonator eingebracht. Hierdurch ergeben sich im Resonator Feldstörungen, die zu Resonanzfrequenz- und Güteänderungen führen. Mit Hilfe meist recht aufwendiger Rechenverfahren, die vielfach durch Näherungslösungen ersetzt werden, läßt sich aus diesen Anderungen die komplexe Dielektrizitätskonstante ermitteln. Dieser Stand der Technik ist beschrieben z. B. in Ginzton, E. L.In certain procedures of this type, a in its dimensions Exactly known specimen of the material to be examined into a cavity resonator brought in. This results in field disturbances in the resonator, which lead to resonance frequency and lead to quality changes. With the help of usually quite complex calculation methods, the are often replaced by approximate solutions, can be derived from these changes determine the complex dielectric constant. This prior art is described z. B. Ginzton, E. L.

"Mikrowave Measuroments", New York, McGraw Hill, i957; Tischer, F. J. "Mikrowellen-Meßtechnik", Springer, 1958; Hippel,A. R. v. nDielectric materials and applicationsfl, The Technology Press of MIT, 1954."Microwave Measuroments", New York, McGraw Hill, 1957; Tischer, F. J. "Microwave Measurement Technology", Springer, 1958; Hippel, A. R. v. nDielectric materials and applications, The Technology Press of MIT, 1954.

In vielen Fällen interessiert nur der reelle Teil der Dielektrizitätskonstanten, während die Kenntnis des Verlustwinkels von untergeordneter Bedeutung ist. Für Messungen dieser Art hat sich in neuerer Zeit ein Verfahren durchgesetzt, das unter dem Namen "Auflegeverfahren" bekannt ist und z. B. beschrieben ist in Jülke,L. 11Eine spezielle Hohlraumresonatormethode zur Bestimmung der relativen DKbzw.In many cases only the real part of the dielectric constant is of interest, while the knowledge of the loss angle is of secondary importance. For measurements a procedure of this kind has recently established itself, the is known under the name "Auflagverfahren" and z. B. is described in Jülke, L. 11 A special cavity resonator method for determining the relative DK or

Permeabilität" Hochfrequenz und Elektroakustik, April 1968, s, 70 - 73.Permeability "high frequency and electroacoustics, April 1968, p. 70 - 73.

Bei Durchführung dieses Auflegeverfahrens wird der Probekörper, bei dem lediglich eine Begrenzungsseite eben sein muß und alle übrigen Seiten unproblematisch sind, auf ein Koppelloch in der Wandung eines Hohlraumresonators gelegt und die Resonanzverschiebung durch die dadurch auftretende Belastung des Hohlraumresonators gemessen. Das Koppelloch ist hierbei zweckmäßigerweise an einer solchen Stelle des Resonators angeordnet, an der das Magnetfeld des' Resonators nicht vorhanden ist; beispielsweise wird bei einem E010-Resonator das Koppelloch vorteilhafterweise in der Mitte der Deckplatte angebracht. Bei Auflegen des Probe körpers auf das Koppelloch tritt hierbei infolge der geänderten Randbedingungen für das elektromagnetische Feld des Resonators eine Feldverzerrung auf, deren Größe im wesentlichen durch die Abmessungen des Loches und die elektrischen Eigenschaften des Probekörpers vor der Öffnung bestimmt ist. Das Auflegeverfahren hat gegenüber den übrigen bekannten vorbeschriebenen Verfahren mehrere entscheidende Vorteile: 1. Es braucht kein maßgerechter Probekörper angefertigt zu werden, meist muß das zu untersuchende Material überhaupt nicht vorbereitet werden.When performing this lay-up procedure, the test specimen is, at only one boundary side has to be flat and all other sides unproblematic are placed on a coupling hole in the wall of a cavity resonator and the Resonance shift due to the resulting load on the cavity resonator measured. The coupling hole is expediently at such a point of the Arranged resonator at which the magnetic field of the 'resonator is not present; For example, in an E010 resonator, the coupling hole is advantageously in attached to the center of the cover plate. When placing the specimen on the coupling hole occurs here as a result of the changed boundary conditions for the electromagnetic Field of the resonator a field distortion, the size of which is essentially due to the Dimensions of the hole and the electrical properties of the specimen before the Opening is intended. The lay-up process has been described above in relation to the other known ones Procedure several crucial Advantages: 1. It doesn't need a customized one To be made test specimens, mostly the material to be examined must at all not be prepared.

2. Der Resonator muß nicht nach jeder Messung geöffnet werden. Meßunsicherheiten durch schlechte Kontaktgabe entfallen damit.2. The resonator does not have to be opened after each measurement. Measurement uncertainties due to poor contact, this is no longer necessary.

3. Es ist eine kontinuierliche Messung möglichr 4, Die Messung und Auswertung läßt sich automatisieren.3. Continuous measurement is possible 4, The measurement and Evaluation can be automated.

5. Der zeitliche Aufwand für eine Messung und Auswertung ist gering.5. The time required for a measurement and evaluation is low.

6. Soll di e die Dielektrizitätskonstante bei hohen Temperaturen, z. B. bei 300° C bestimmt werden, können Resonator und Probekörper gleichzeitig im Tosperaturraum verbleiben und mit einfachen Manipulatoren die Probekörper aufgelegt werden. Ein Öffnen und Wiederverschließen des Resonators für das Einbringen der Proben wie der bei den übrigen/oben beschriebenen Verfahren wäre bei derart hohen Temperaturen außerordentlich umständlich und unwirtschaftlich.6. If the dielectric constant is to be the dielectric constant at high temperatures, z. B. be determined at 300 ° C, the resonator and specimen can be used simultaneously Remain in the temperature room and apply the test specimens with simple manipulators will. Opening and reclosing the resonator for introducing the Samples like the one for the rest of the procedures described above would be at like that high temperatures are extremely cumbersome and uneconomical.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung zur Durchführung des bekannten Auflegeverfahrens. Zwei Mikrowellengeneratoren Gi und G2 je arbeiten über F ne Richtungsleitung Ri und R2 auf eine en Mischstufe M, an deren Ausgang über ein/Verstärker V ein Zähler Z1 angeschlossen ist. Mit Res1 ist ein Hohlraumresonator bezeichnet. Gi dient als Meßgenerator, G2 als Referenzgenerator, Al und A2 sind Indikatoren. Die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators Res1 ist durch Maximalwertanzeige des Indikators A2 erkennbar,und sie wird gemessen, indem man den Generator Gi auf einen Wert einstellt, der diesen Maximalwert zur Folge hat,und indem man daraufhin die Frequenz des Generators Gi mit derjenigen des Generators G2, die sehr frequenzstabil ist, vergleicht.Fig. 1 shows an arrangement for carrying out the known laying method. Two microwave generators Gi and G2 each work via F ne directional line Ri and R2 to a mixer M, at whose output a counter via an amplifier V Z1 is connected. Res1 denotes a cavity resonator. Gi serves as a Measurement generator, G2 as reference generator, A1 and A2 are indicators. The resonance frequency of the cavity resonator Res1 can be recognized by the maximum value display of the indicator A2, and it is measured by setting the generator Gi to a value that corresponds to this Maximum value results, and by then the frequency of the generator Gi with that of the generator G2, which is very stable in frequency, compares.

Dieser Vergleich erfolgt durch Zählung mittels des Zählers Z1. Üblicherweise werden bei der Durchführung des Auflegeverfahrens drei Resonanzfrequenzen ermittelt, und zwar die erste bei mit Metall verschlossenem Koppelloch des Resonators Rest, die zweite bei unbedecktem Koppelloch und die dritte bei auf das Koppelloch aufgelegtem Probekörper Aus diesen drei Resonanzfrequenzen lassen sich die zwei Resonanzver schi ebung en errechnen.This comparison is made by counting using the counter Z1. Usually three resonance frequencies are determined when the application process is carried out, namely the first with the coupling hole of the resonator closed with metal rest, the second when the coupling hole is uncovered and the third when the coupling hole is placed on the coupling hole Specimen From these three resonance frequencies, the two resonance ver Calculate displacements.

Nachteilig an den bisher bekannten Versionen des Auflegeverfahrens ist wie bei allen Differenzverfahren die nahezu unerfüllbare Forderung, beide Generatoren für eine genügend große Meßzeit auf die jeweilige Resonanzfrequenz abzustimmen, um durch Nullung direkt die zwei Resonanzverschiebungen zu erhalten. Die Arbeitsgenauigkeit des Verfahrens wird weitgehend von der Frequenzkonstanz der Generatoren G1 und G2 innerhalb der Meßzeit bestimmt.A disadvantage of the previously known versions of the lay-up process is, as with all differential methods, the almost unattainable requirement for both generators to match the respective resonance frequency for a sufficiently long measuring time, to get the two resonance shifts directly by zeroing. The working accuracy the method is largely dependent on the constant frequency of the generators G1 and G2 determined within the measuring time.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, vom Auflegeverfahren ausgehend ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die Arbeitsgenauigkeit erhöht und der wirtschaftliche Aufwand reduziert wird.The object of the invention is based on the application method to improve a method of the type mentioned in that the working accuracy increased and the economic outlay is reduced.

Die Erfindung kennzeichnet sich bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die Verwendung eines einzigen Mikrowellengenerators mit nachgeschalteten Frequenztransponierungsmitteln bei der Anregung des Hohlraumresonators auf seinen Resonanzfrequenzen in belastetem und unbelastetem Zustand.The invention is characterized in a method of the type mentioned at the beginning Kind by using a single microwave generator with downstream Frequency transposing means in the excitation of the cavity resonator on its Resonance frequencies in the loaded and unloaded state.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten eines Probekörpers vorteilhaft verwendbar, sondern darüber hinaus zur Lösung aller Meßaufgaben, bei denen eine kleine Frequenzverschiebungmit grober Genauigkiet bestimmt werden soll.The method according to the invention is not only for determining the dielectric constant of a test specimen can be used advantageously, but also to solve all Measuring tasks, in which a small frequency shift can be determined with rough accuracy target.

Wesentlich für die Erfindung ist die Verwendung eines einzigen Generators mit hinreichender Stabilität und di Aufbereitung der zweiten, geringfügig versetzten Frequenz aus der des Generators z, B. durch Modulation in einem Einseitenbandgenerator. Die Belastung des Hohlraumresonators erfolgt zweckmäßigerweise durch Ankopplung des Probekörpers von außen, beispielsweise im Sinne der Auflegemethodedurch Auflegen des Probekörpers auf mindestens ein im Hohlraumresonator angeordnetes Koppelloch oder einen bzw. mehrere Koppelschlitze.The use of a single generator is essential for the invention with sufficient stability and the preparation of the second, slightly offset Frequency from that of the generator, e.g. through modulation in a single sideband generator. The cavity resonator is expediently loaded by coupling of the test specimen from the outside, for example in the sense of the laying method by laying it on of the specimen to at least one coupling hole arranged in the cavity resonator or one or more coupling slots.

Bei der Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten von Flüssigkeiten ist es besonders vorteilhaft, bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens einen Hohlraumresonator mit Koppelloch zu verwenden, der mit einem verlustarmen festen Dielektrikum gefüllt ist. Man braucht den Resonator dann lediglich in die Flüssigkeit einzutauchen und die Resonanzverschiebung zu messen. Es stört hierbei keine Kapillarwirkung.When determining the dielectric constant of liquids it is particularly advantageous when carrying out the method according to the invention to use a cavity resonator with coupling hole with a low-loss solid dielectric is filled. You then only need the resonator in the Immerse the liquid and measure the resonance shift. It bothers here no capillary action.

Die Belastung des Hohlraumresonators bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann jedoch auch durch Einbringen des Probekörpers in den Hohlraumresonator erfolgen.The load on the cavity resonator during implementation of However, the method according to the invention can also be carried out by introducing the test specimen done in the cavity resonator.

Bei der Durchführung des Auflegeverfahrens ist eine Version des erfindungsgemäßen Verfahrens durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet: a) es wird die Resonanzverschiebung #fo zwischen den Resonanzen bei metallisch verschlossenem und bei unbedecktem (unbelastetem) Koppelloch gemessen b) es wird die Resonanzverschiebung Af# zwischen den Resonanzen bei metallisch verschlossenem Koppelloch und bei aufgelegtem Probekörper gemessen c) die Dielektrizitätskonstante #Probe des Probekörpers wird aus der Gleichung errechnet, wobei E die Dielektrizita"tskonstante der 0 Luft und E diejenige des Resonatorinnenraums bedeuten.When carrying out the lay-up method, one version of the method according to the invention is characterized by the following method steps: a) the resonance shift #fo between the resonances with the metallically closed and uncovered (unloaded) coupling hole is measured b) the resonance shift Af # between the resonances at metallically sealed coupling hole and measured with the test specimen in place c) the dielectric constant #sample of the test specimen is derived from the equation calculated, where E is the dielectric constant of the air and E is that of the interior of the resonator.

Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei dieser Anordnung ist als Frequenztransponierungsmittel ein Einseitenbandgenerator SSB mit zugehörigem abstimmbarem Mödulationssignal generator MG vorgesehen. Der einzige im Sinne der Erfindung vorgesehene Mikrowellengenerator ist mir G3 bezeichnet und über eine Richtungsleitung R3 an den Einseitenbandgenerator angeschlossen, Der Modulationssignalgenerator MG kann ein Niederfrequenzoszillator geringer Anforderungen sein.Fig. 2 shows an advantageous arrangement for carrying out the invention Procedure. In this arrangement, a single sideband generator is used as the frequency transposition means SSB provided with an associated tunable modulation signal generator MG. Of the the only microwave generator provided within the meaning of the invention is designated as G3 and connected to the single sideband generator via a directional line R3, Der Modulation signal generator MG can be a low-frequency oscillator with low requirements be.

Bei ausreichend frequenzstabilem Generator G3 ist der Frequenzversatz infolge der Einseitenbandmodulation vorteilhaft mit einem Zähler Z2 direkt bestimmbar. Die nachMaßgabe der Modulationsfrequenz fM transponierte Frequenz + + fM trifft auf den mit Res2 bezeichneten Hohlraumresonator. Die dort reflektierte Leistung wird über einen Koppler K zu einem Indikator A4 geleitet, und dient der Resonanzanzeige. Der Indikator A3 dient der Frequenzüberwachung des Generators G3.With a sufficiently stable frequency generator G3, the frequency offset is as a result of the single sideband modulation, it can advantageously be determined directly with a counter Z2. The frequency transposed according to the modulation frequency fM + + fM hits on the cavity resonator labeled Res2. The performance reflected there is passed via a coupler K to an indicator A4, and is used to display the resonance. The indicator A3 is used to monitor the frequency of the generator G3.

Bei Einsatz der Anordnung nach Fig, 52 wird zunächst die Resonanzverschiebung Afo zwischen den Resonanzen bei metallisch verschlossenem und bei unbedecktem (unbelastetem) Koppelloch des Resonators Res2 gemessen und daraufhin die Resonanzänderung #f# zwischen den Resonanzen bei metallisch verschlossenem Koppelloch bei aufgelegtem Probekörper, Die jeweilige Referenz für die beiden Resonanzverschiebungen, d. h. die Nullung der Anzeige, wird gebildet, indem bei unmoduliertem Einseitenbandgenerator SSB die Frequenz f des 0 Generators G3 auf die Resonanzfrequenz des metallisch bedeckten Resonators Res2 abgestimmt wird. Dann wird nacheinander einmal das Koppelioch aufgedeckt und einmal der Probekorper aufgelegt, wobei jedesmal durch Ändern der Modulationsfrequenz fM die Modulationsfrequenz f0 des Generators G3 im Einseitenbandgenerator SSB soweit transponiert wird, daß jeweils neue Resonanzfrequenz fLuft bzw. fprobe des durch Abdecken oder Auflegen verstimmten Resonators erreicht wird. Dabei gilt #fo = o + fM Luft - fo = fM Luft = o + fM Probe - fo fM Probe Die Dielektrizitätskonstante #probe des Probekörpers ist dann aus der Gleichung mit E = DK des Resonatorinneren mit #o = DK der Luft errechenbar.When using the arrangement according to Fig. 52, first the resonance shift Afo between the resonances with the metallically closed and uncovered (unloaded) coupling hole of the resonator Res2 is measured and then the resonance change # f # between the resonances with the metallically closed coupling hole with the test specimen placed on it, the respective reference for the two resonance shifts, ie the zeroing of the display, is formed by tuning the frequency f of the generator G3 to the resonance frequency of the metal-covered resonator Res2 with the unmodulated single sideband generator SSB. Then, one after the other, the coupling hole is uncovered and the test body is applied once, each time by changing the modulation frequency fM the modulation frequency f0 of the generator G3 in the single sideband generator SSB is transposed to such an extent that each new resonance frequency fLuft or fprobe of the resonator detuned by covering or laying on is achieved . #Fo = o + fM air - fo = fM air = o + fM sample - fo fM sample The dielectric constant #probe of the test specimen is then from the equation where E = DK of the interior of the resonator can be calculated with #o = DK of the air.

Die Kombination des Auflegeverfahrens mit der Einseitenbandmodulation im Sinne der Erfindung bietet besondere Vorteile bei regelungstechnischen Prozessen zur Einstellung von Generator und Modulator für automatische, gegebenenfalls rechnergesteuerte Probenuntersuchungen an. Dabei wird der Hohlraumresonator zweckmäßigerweise gleichzeitig als frequenzbestimmendes Glied eines Frequenzdis kriminators im Regelkreis benutzt.The combination of the lay-up process with single sideband modulation in the sense of the invention offers particular advantages in control processes for setting the generator and modulator for automatic, possibly computer-controlled Sample examinations. The cavity resonator is expediently at the same time used as a frequency-determining member of a frequency discriminator in the control loop.

Claims

P a t 0 n t a n g p r iic h c

Method for determining the dielectric constant of a test specimen by measuring the resonance shift of a cavity resonator which occurs at whose load occurs through the test specimen and a measure of the dielectric constant represents, characterized by the use of a single microwave generator with downstream frequency transposing means during the excitation of the cavity resonator on its re-resonance frequencies in a loaded and unloaded state.

2. The method according to claim 1, characterized in that the load of the cavity resonator is carried out by coupling the specimen from the outside, for example by placing the test specimen on at least one arranged in the cavity resonator Coupling hole.

3. The method according to claim 2, characterized by the use a cavity resonator with coupling hole, which is made with a low-loss solid dielectric is filled.

4. The method according to claim 1, characterized in that German. Load of the cavity resonator by introducing the specimen into the cavity resonator he follows.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized by the following process steps when carrying out the laying process: a) the resonance shift # fo between the resonances with the metallically sealed and uncovered (unloaded) coupling hole is measured b) the resonance shift # f £ measured between the resonances when the coupling hole is closed with metal and when the test specimen is placed on it c) the dielectric constant eProbe of the test specimen is derived from the equation calculated, where the dielectric constant of the air and Ej mean that of the interior of the resonator.

6. Arrangement for performing the method according to one of the claims 1 to 5, characterized in that a one as the frequency transposing means A side band generator with an associated tunable modulation signal generator is provided is.

7, arrangement according to claim 6, characterized in that a control circuit is provided, which tunes the modulation signal generator in such a way that the cavity resonator the respective resonance frequency is automatically supplied by the single sideband generator will.

8. Arrangement according to claim 7, characterized in that the control circuit contains a frequency discriminator, the frequency-determining element of which is the cavity resonator is.

9, arrangement according to one of claims 6 to 8, characterized in that that a frequency meter, e.g. B: a counter is provided which, when the frequency is sufficiently stable Microwave generator the respective resonance shift from the level of the associated Frequency shift of the modulation signal generator determined.