RU2003991C1

RU2003991C1 - Device for measuring dielectric permeability of material

Info

Publication number: RU2003991C1
Authority: RU
Inventors: Валентин Евгеньевич Буданов; Николай Леонидович Евич; Ольга Борисовна Калмыкова; Николай Николаевич Суслов
Original assignee: Институт проблем машиностроени АН Украины
Priority date: 1991-07-03
Filing date: 1991-07-03
Publication date: 1993-11-30

Abstract

Изобретение относитс к технике измерений в диапазоне миллиметровых и, субмиллиметровых волн и может быть использовано дл измерени действительной части диэлектрической проницаемости материалов образцов, имеющих пр мой двугранный угол. Устройство содержит приемник 7, измерительный прибор 8, генератор 1 СВЧ, к выходу которого подключен излучатель, выполненный в виде диэлектрического волновода 3. св занного с механизмом.2 перемещени и отсчета, и двух взаимно параллельных металлических пластин 5 и 6, при этом пластина 5 жестко закреплена на торце волновода 3 перпендикул рно его оси, а пластина 6 установлена на второй грани двугранного угла образца 4 так, что ее торец расположен в плоскости первой грани. 1 ил.The invention relates to techniques for measuring in the range of millimeter and submillimeter waves and can be used to measure the real part of the dielectric constant of sample materials having a right dihedral angle. The device comprises a receiver 7, a measuring device 8, a microwave generator 1, the output of which is connected to an emitter made in the form of a dielectric waveguide 3. associated with the mechanism 2 of movement and reference, and two mutually parallel metal plates 5 and 6, while the plate 5 rigidly fixed to the end of the waveguide 3 perpendicular to its axis, and the plate 6 is mounted on the second face of the dihedral angle of the sample 4 so that its end is located in the plane of the first face. 1 ill.

Description

ьb

.,а.,and

чоcho

§§

11

I, I

ЫS

ОABOUT

SS

че чоwhat cho

Изобретение относитс к технике измерений в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых волн и может быть использовано дл измерени действительной части диэлектрической проницаемости материалов образ- цов, имеющих пр мой двугранный угол.The invention relates to techniques for measuring in the range of millimeter and submillimeter waves and can be used to measure the real part of the dielectric constant of sample materials having a right dihedral angle.

Общественна потребность оппредел - етс актуальностью задач неразрушающего контрол радиоволновыми методами в рамках дефектометрии, толщинометрии и т.п. в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых длин волн, поскольку попытки применени существующих устройств, реализующих традиционные способы, либо встречают серьезные технологические труд- ности, либо дают погрешность, котора с укорочением рабочей длины волны возрастает до неприемлемых пределов. - Social need is opposed by the relevance of the tasks of non-destructive testing by radio wave methods within the framework of defectometry, thickness measurement, etc. in the range of millimeter and submillimeter wavelengths, since attempts to use existing devices that implement traditional methods either encounter serious technological difficulties or give an error that, with shortening of the operating wavelength, increases to unacceptable limits. -

Известно устройство дл измерени ми- электрической проницаемости, содержа- щее генератор СВЧ, делитель мощности, два волноводных излучател , плоскопараллельный диэлектрик, фазовращатель, цир- кул тор, детектор и измерительный прибор. Недостатком известного устройства вл ет- с низка точность определени диэлектрической проницаемости, обусловленна сложностью реализации конструкции при измерени х в субмиллиметровом диапазоне длин води,A device for measuring permeability is known, comprising a microwave generator, a power divider, two waveguide emitters, a plane-parallel dielectric, a phase shifter, a circulator, a detector, and a measuring device. A disadvantage of the known device is the low accuracy of determining the dielectric constant, due to the complexity of the design when measuring in the submillimeter range of water lengths,

Наиболее близким по технической сущности к изобретению вл етс устройство дл определени диэлектрической проницаемости , .содержащее приемник, измерительный прибор, генератор СВЧ, соединенный с дели- телем мощности, к выходам которого подключен двуплечий излучатель, Принцип работы устройства заключаетс в облучении испытуемого диэлектрика электромагнитным полем посредством двуплечевого излучател , изме- нении разности фаз полей в плечах излучател и измерении амплитуды прошедшей волны. Недостатком известного устройства вл етс относительна сложность его реализации и, как следствие, понижение точно- сти определени величины диэлектрической проницаемости, обусловленное невозможностью практической реализации высокой степени идентичности плеч излучател в миллиметровом и субмиллиметровом диа- пазонах длин волн.The closest in technical essence to the invention is a device for determining the dielectric constant, containing a receiver, a measuring device, a microwave generator connected to a power splitter, to the outputs of which a two-arm radiator is connected. The principle of operation of the device is to irradiate the tested dielectric with an electromagnetic field by a two-arm radiator, changing the phase difference of the fields in the arms of the radiator and measuring the amplitude of the transmitted wave. A disadvantage of the known device is the relative complexity of its implementation and, as a result, the decrease in the accuracy of determining the value of the dielectric constant, due to the impossibility of practical implementation of a high degree of identity of the emitter arms in the millimeter and submillimeter wavelength ranges.

Целью изобретени вл етс упрощение . конструкции и повышение точности измерений в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне длин волн при определении диэ- лектрической проницаемости образцов, имеющих пр мой двугранный угол.The aim of the invention is to simplify. design and improving the accuracy of measurements in the millimeter and submillimeter wavelength ranges when determining the dielectric constant of samples having a right dihedral angle.

Цель достигаетс тем, что устройство дл определени диэлектрической проницаемости , содержащее приемник, измерительный прибор, генератор СВЧ. к выходу которого подключен излучатель, выполненный из диэлектрического волновода, установленного с зазором по отношению к грани образца, св занного с механизмом перемещени волновода параллельно его оси, и двух взаимно параллельных пр моугольных металлических пластин, одна из которых жестко св зана с диэлектрическим волноводом, друга установлена с зазором по отношению к последнему, снабжено закрепленной на волноводе пластиной, установленной на его торце перпендикул рно его оси, а друга пластина расположена на второй грани двугранного угла, причем ее торец расположен в плоскости первой грани двугранного угла образца. Таким образом, физически одноплеча антенна за счет отражателей в эквиваленте становитс двуплечей .The goal is achieved in that the device for determining the dielectric constant, comprising a receiver, a measuring device, a microwave generator. the output of which is connected to an emitter made of a dielectric waveguide installed with a gap with respect to the face of the sample connected to the mechanism for moving the waveguide parallel to its axis, and two mutually parallel rectangular metal plates, one of which is rigidly connected to the dielectric waveguide installed with a gap with respect to the latter, provided with a plate fixed to the waveguide, mounted at its end perpendicular to its axis, and the other plate is located on the second face of the arcs annogo angle, and its end is located in the plane of the first face of the dihedral angle of the sample. Thus, physically a single-arm antenna, due to reflectors in the equivalent, becomes a two-arm.

Отличительные признаки за вл емого устройства отсутствуют в прототипе и аналогичных технических решени х в данной и смежной област х техники и обеспечивают ему соответствие критери м новизна и существенные отличи .Distinctive features of the claimed device are absent in the prototype and similar technical solutions in this and related fields of technology and ensure that it meets the criteria of novelty and significant differences.

На чертеже приведена схема „устройства дл определени диэлектрической проницаемости .The drawing shows a diagram of a device for determining the dielectric constant.

Устройство содержит генератор 1 СВЧ, выход которого подключен к соединенному с механизмом 2 перемещени и отсчета излучателю . Излучатель выполнен из отрезка диэлектрического волновода 3, расположенного параллельно одной из граней исследуемого образца 4, имеющего пр мой двугранный угол, с зазором h относительно упом нутой грани. Величина зазора h зави- -сит от рабочей длины волны и выбираетс такой, чтобы коэффициент передачи по мощности от волновода к контролируемой структуре при максимальной величине плеча dK(максимальное рассто ние, на которое может быть перемещена пластина) не превышал 10%, что позвол ет пренебречь обратным вли нием вторичного пол на первичное. Пластина 5 жестко закреплена на волноводе 3 и установлена на его торце перпендикул рно его оси, а пластина б расположена на второй грани двугранного угла образца 4 так, что ее торец расположен в плоскости пер вой грани двугранного угла образца 4. Така расстановка металлических пластин 5 и б реализует излучатель, эквивалентный двуплечему. Дипольный приемник 7 установлен на линии, образующей с ребром исследуемого образца 4 угол 6, и св зан с механизмом 8 измерени угла и регистрирующим устройством 9, например самописцем.The device comprises a microwave generator 1, the output of which is connected to an emitter connected to a mechanism 2 for moving and reading. The emitter is made of a segment of a dielectric waveguide 3 located parallel to one of the faces of the test sample 4 having a right dihedral angle with a gap h relative to the said face. The gap h depends on the operating wavelength and is selected so that the power transfer coefficient from the waveguide to the controlled structure with a maximum arm dK (the maximum distance the plate can be moved) does not exceed 10%, which allows neglect the inverse effect of the secondary field on the primary. Plate 5 is rigidly fixed to the waveguide 3 and mounted on its end face perpendicular to its axis, and plate b is located on the second face of the dihedral angle of sample 4 so that its end is located in the plane of the first face of the dihedral angle of sample 4. Such an arrangement of metal plates 5 and b implements a radiator equivalent to two shoulders. The dipole receiver 7 is mounted on a line forming an angle 6 with the edge of the test sample 4 and is connected to the angle measuring mechanism 8 and a recording device 9, for example, a recorder.

Устройство работает следующим образом .The device operates as follows.

В исходном состо нии пластины Jf и 6 расположены так, что величина плеча излучател , т.е. промежутка d между ними, равна нулю. С помощью механизма 2 перемещени и отсчета волновод 3 и прилегающа к -нему пластина 5 перемещаютс вдоль оси волновода 3 так, что величина промежутка d измен етс от кул до величины dK, равной нескольким длинам волн. Обе, пр ма Un и обратна Do, волны диэлектрического волновода 3, взаимодейству с одной из плоских граней образца, в форме объемных волн Un и IV распростран ютс под одинаковыми углами к этой грани о разные стороны в образце 4. Достига пластины 6, выполн ющей функцию второго рефлектора, волна U01. отразившись от нее, распростран етс в том же направлении, что и волна Un1. Таким образом, одноплеча антенна за счет отражателей в эквиваленте выполн ет функцию двуплечей, т.е. ее электродинамические свойства оказываютс аналогичными свойствам антенны прототи- па, амплитуду прошедшего пол регистрируют измерительным прибором 8 при всех значени х величины промежутка d между пластинами излучател 5 и 6 и, таким образом , получают зависимость амплитуды прошедшей волны от величины промежутка d. По полученной зависимости определ ют величину периода следовани нулейIn the initial state, the plates Jf and 6 are arranged so that the radiator arm value, i.e. the gap d between them is zero. Using the movement and reference mechanism 2, the waveguide 3 and the adjacent plate 5 are moved along the axis of the waveguide 3 so that the gap value d varies from the cusp to the dK value equal to several wavelengths. Both, direct Un and reverse Do, the waves of the dielectric waveguide 3, interacting with one of the planar faces of the sample, in the form of body waves Un and IV propagate at equal angles to this face on opposite sides in sample 4. Reaching the plate 6, performing function of the second reflector, wave U01. reflected from it, propagates in the same direction as the wave Un1. Thus, the single-arm antenna, due to the reflectors, equivalently performs the function of two-shoulders, i.e. its electrodynamic properties turn out to be similar to those of the prototype antenna, the amplitude of the transmitted field is recorded with a measuring device 8 for all values of the gap d between the plates of the emitter 5 and 6 and, thus, the dependence of the amplitude of the transmitted wave on the value of the gap d is obtained. From the obtained dependence, the value of the period of zeros is determined

Claims

The claims

A device for determining the dielectric permittivity of materials, comprising a microwave generator, an emitter comprising a dielectric waveguide, a receiver and a measuring device, characterized in that the emitter further comprises two mutually parallel rectangular metal plates, one of which is fixed to the end of the dielectric

v

amplitude A and the value of dielectric constant as in the prototype is determined from the ratio

€

where c is the angle of observation;

AO - wavelength in free space;

Av is the wavelength in the dielectric waveguide;

D (is the period of succession of zero amplitude.

In this case, the viewing angle in is chosen from the ratio

.(AND

dK in / dK

Jf

B

+ 1

where dK is the limiting size of the emitter arm.

Using the proposed device allows to simplify the design that implements a two-arm emitter, while significantly improving the accuracy of measuring the dielectric constant, minimizing errors associated with the alignment of the moving arms of the two-arm emitter used in the prototype, (56) USSR Copyright Certificate Mg 1166012, class G 01 R 27/26, 1985.

the waveguide installed with a gap with respect to the first face of the sample having a straight dihedral is perpendicular to the axis of the waveguide, and the other plate is located on the second face of the sample, while its end is placed in the plane of the first face of the dihedral angle

sample, and the dielectric waveguide is connected with the mechanism of movement of the emitter.