RU2062476C1 - Method of measurement of dielectric permittivity of sheet dielectric - Google Patents

Method of measurement of dielectric permittivity of sheet dielectric Download PDF

Info

Publication number
RU2062476C1
RU2062476C1 SU4943438A RU2062476C1 RU 2062476 C1 RU2062476 C1 RU 2062476C1 SU 4943438 A SU4943438 A SU 4943438A RU 2062476 C1 RU2062476 C1 RU 2062476C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
dielectric
sheet
pve
normal
free space
Prior art date
Application number
Other languages
Russian (ru)
Inventor
А.И. Астайкин
А.П. Помазков
Original Assignee
Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики filed Critical Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики
Priority to SU4943438 priority Critical patent/RU2062476C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2062476C1 publication Critical patent/RU2062476C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Abstract

FIELD: study of materials. SUBSTANCE: method can be used for study of flat and non-flat sheet dielectrics. It consists in excitation of surface electric wave of any type in sheet dielectric 3 placed on metal backing 4 with smooth surface in parallel to surfaces of sheet dielectric 3 with the aid of SHF generator 1 and its modulation by pulse sequence of videopulse generator 2 and surface electric wave exciter 5 connected to output of SHF generator 1 and located in sheet dielectric 3, in registration of distribution curve Φ(h) of intensity of field of surface electric wave in free space above surface of sheet dielectric 3 in direction of normal to its surface with height h≥λes, where λes is length of excited surface electric wave with the help of high-resistance probe 6 and detector 8 connected in series and put on translation device and indicator- register 9 which is synchronized by pulses from video-pulse generator 2, in measurement of values U1,U2...UN, of intensities of field on curve J(h) in points h1,h2...hN from base of normal, in computation of lateral wave number ppi of surface electric wave in free space over sections Δhi= hi+1-hi of normal and in determination of dielectric permittivity εri in each section Δhi and of averaged value εri of sheet dielectric from relations. EFFECT: increased accuracy of measurements, expanded class of examined dielectrics thanks to use of surface electric waves of higher types. 3 dwg, 2 tbl

Description

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники, а точнее к области исследования материалов радиотехническими методами. Может быть использовано при исследовании плоских и неплоских листовых диэлектриков (ЛД), а также при исследовании распространения электромагнитных волн (ЭМВ) в таких диэлектриках. The present invention relates to the field of radio engineering, and more specifically to the field of research of materials by radio engineering methods. It can be used in the study of flat and non-planar sheet dielectrics (LD), as well as in the study of the propagation of electromagnetic waves (EMW) in such dielectrics.

Известен способ определения диэлектрической проницаемости (ДП) ЛД [1] включающий облучение ЛД линейно поляризованной ЭМВ через введенную диэлектрическую призму с углом при основании, расположенным параллельно поверхности ЛД, большим критического, разделение отраженной от поверхности ЛД ЭМВ на ортогональные составляющие, определение эллиптичности отраженной ЭМВ, изменение расстояния d между основанием призмы и поверхностью ЛД, регистрацию того значения расстояния d, при котором эллиптичность отраженной ЭМВ принимает минимальное значение, и определение ДП ЛД по известной зависимости, связывающей ДП со значением d. A known method for determining the dielectric constant (DP) of an LD [1] comprising irradiating an LD of a linearly polarized electromagnetic wave through an inserted dielectric prism with an angle at a base parallel to the surface of the LD that is greater than the critical angle, dividing the electromagnetic wave reflected from the surface of the LD into orthogonal components, determining the ellipticity of the reflected electromagnetic wave, a change in the distance d between the base of the prism and the surface of the LD, recording the value of the distance d at which the ellipticity of the reflected electromagnetic wave takes a minimum the determination and determination of the LD of the LD by the well-known dependence connecting the DP with the value of d.

Известное устройство для определения ДП ЛД содержит [1] генератор СВЧ, поляризатор, вход которого соединен с выходом генератора СВЧ, первую радиолинию, состоящую из последовательно расположенных выхода поляризатора, первого уголкового поворота (УП) и диэлектрической призмы, вторую радиолинию, состоящую из последовательно расположенных диэлектрической призмы, второго УП и делителя поляризации отраженной волны (ДПОВ), первый и второй преобразователи сигналов (ПС), входы которых соединены с выходами ДПОВ, измеритель отношений двух напряжений (ИОН), два входа которого соединены с выходами первого и второго ПС, последовательно соединенные экстрематор и генератор тактовых импульсов (ГТИ), подключенные к выходу ИОН, последовательно соединенные счетчик и регистратор, подключенные к выходу ГТИ, шаговый двигатель, вход которого подключен к тому же выходу ГТИ, и измерительный столик, связанный с шаговым двигателем. The known device for determining the DP LD contains [1] a microwave generator, a polarizer, the input of which is connected to the output of the microwave generator, a first radio line consisting of a sequentially located output of a polarizer, a first angular rotation (UP) and a dielectric prism, a second radio line consisting of sequentially located a dielectric prism, a second UE and a reflected wave polarization divider (DPO), the first and second signal converters (PS), the inputs of which are connected to the outputs of the DPO, the meter of the ratio of two voltage Ii (ION), two inputs of which are connected to the outputs of the first and second substations, serially connected extremator and a clock generator (GTI), connected to the ION output, serially connected counter and recorder connected to the GTI output, a stepper motor, the input of which is connected to the same GTI output, and a measuring table associated with a stepper motor.

Аналог работает следующим образом. Размещают исследуемый ЛД на измерительном столике и подводят ЛД под основание диэлектрической призмы путем перемещения столика. Амплитудно-модулированную ЭМВ с выхода генератора СВЧ подают на поляризатор, в котором ЭМВ преобразуют в линейно поляризованную волну с ориентацией вектора E под углом 45o к плоскости падения. Эту ЭМВ с помощью первого УП направляют через первую боковую грань диэлектрической призмы на ее основание и поверхность ЛД. Отраженную ЭМВ через вторую боковую грань направляют на второй УП, а с него на вход ДПОВ. Разделенные ортогональные составляющие отраженной ЭМВ с выхода ДПОВ подают на входы первого и второго ПС, преобразованные сигналы с выходов ПС подают на входы ИОН. С выхода последнего сигнал отношения двух напряжений подают на экстрематор, с его выхода на вход ГТИ. Тактовые импульсы ГТИ подают на входы счетчика с регистратором и шагового двигателя. Шаговый двигатель, управляемый тактовыми импульсами, перемещает измерительный столик с ЛД перпендикулярно основанию диэлектрической призмы. В момент достижения минимума эллиптичности отраженной ЭМВ экстрематор выключает ГТИ, а тем самым работу шагового двигателя и движение ЛД относительно основания диэлектрической призмы. Считывают число тактовых импульсов со счетчика, по этому числу рассчитывают расстояние d между основанием диэлектрической призмы и поверхностью ЛД. Определяют по известной зависимости ДП ЛД.The analogue works as follows. The test LD is placed on the measuring table and the LD is brought under the base of the dielectric prism by moving the table. The amplitude-modulated electromagnetic wave from the output of the microwave generator is fed to the polarizer, in which the electromagnetic wave is converted into a linearly polarized wave with the orientation of the vector E at an angle of 45 o to the plane of incidence. This EMV using the first UP is sent through the first side face of the dielectric prism to its base and the surface of the LD. The reflected EMV through the second side face is sent to the second unitary enterprise, and from it to the entrance of the DPOV. The separated orthogonal components of the reflected EMW from the output of the DPOV are fed to the inputs of the first and second substations, the converted signals from the outputs of the substations are fed to the ION inputs. From the output of the latter, the signal of the ratio of the two voltages is fed to the extremator, from its output to the input of the GTI. GTI clock pulses are fed to the inputs of a counter with a recorder and a stepper motor. A stepped motor controlled by clock pulses moves the measuring table with the LD perpendicular to the base of the dielectric prism. At the moment of reaching the minimum ellipticity of the reflected EME, the extremator turns off the GTI, and thereby the operation of the stepper motor and the movement of the LD relative to the base of the dielectric prism. The number of clock pulses is read from the counter, the distance d between the base of the dielectric prism and the surface of the LD is calculated from this number. Determined by the known dependence of DP LD.

Недостатком аналога является частотная ограниченность, связанная с наличием радиолиний в измерительном тракте. Наличие радиолиний ограничивает использование аналога в миллиметровом и менее диапазонах волн, т.е. в диапазонах, для которых справедливы законы геометрической оптики в ограниченном пространстве, а вблизи радиолиний нет посторонних предметов, отражающих ЭМВ, распространяющуюся по радиолиниям, и искажающих измерения. Например, в работе [2] показано, что такие измерения с использованием радиолиний вполне корректны в диапазоне волн λo≅ 3 мм (диапазон частот fo≥100 ГГц).The disadvantage of the analogue is the frequency limitation associated with the presence of radio lines in the measuring path. The presence of radio lines limits the use of analog in the millimeter and less wavelength ranges, i.e. in the ranges for which the laws of geometrical optics are valid in a limited space, and near radio lines there are no foreign objects reflecting the electromagnetic field propagating along the radio lines and distorting the measurements. For example, in [2] it was shown that such measurements using radio lines are quite correct in the wavelength range λ o ≅ 3 mm (frequency range f o ≥100 GHz).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является выбранный в качестве прототипа способ измерения ДП плоскопараллельных диэлектриков [3] заключающийся в размещении исследуемого диэлектрика на металлической гребенчатой структуре, возбуждении в исследуемом плоскопараллельном диэлектрике низшего типа электрической поверхностной волны (ПВ Е), частотной модуляции возбуждающих колебаний СВЧ, измерении на выходе системы "гребенчатая структура плоскопараллельный диэлектрик" резонансной частоты fp и определении ДП εr по формуле характеристического уравнения:

Figure 00000004

где d толщина исследуемого диэлектрика;
λp длина резонансной волны;
s шаг гребенчатой структуры;
t и h ширина и высота зубцов гребенчатой структуры.The closest in technical essence and the achieved positive effect is the selected as a prototype method for measuring the DP of plane-parallel dielectrics [3] which consists in placing the investigated dielectric on a metal comb structure, excitation in the studied plane-parallel dielectric of the lowest type of electric surface wave (PV E), frequency modulation of exciting microwave oscillations, measuring the output of the system "comb plane-insulator structure" resonance frequency f p and EFINITIONS DP ε r of the characteristic equation from the formula:
Figure 00000004

where d is the thickness of the investigated dielectric;
λ p resonance wavelength;
s step of the comb structure;
t and h are the width and height of the teeth of the comb structure.

Устройство для измерения ДП по прототипу содержит [3] генератор СВЧ с частотным модулятором, передающую антенну, вход которой подключен к выходу генератора СВЧ, металлическую гребенчатую структуру, приемную антенну и индикатор, ко входу которого подключен выход приемной антенны. A device for measuring DP according to the prototype comprises [3] a microwave generator with a frequency modulator, a transmitting antenna, the input of which is connected to the output of the microwave generator, a metal comb structure, a receiving antenna and an indicator, to the input of which a receiving antenna output is connected.

Измерение ДП плоскопараллельного диэлектрика устройством прототипа производят следующим образом. Размещают исследуемый лист плоскопараллельного диэлектрика на гребенчатую структуру. Частотно-модулированными колебаниями генератора СВЧ через передающую антенну возбуждают в системе "гребенчатая структура плоскопараллельный диэлектрик" ПВ типа Eoo. Частотно-модулированный сигнал, прошедший эту систему, принимают приемной антенной и подают на индикатор. По показаниям индикатора строят частотную зависимость коэффициента передачи системы и по этой зависимости определяют резонансную частоту fp, а затем и соответствующую этой частоте длину волны λp. Определяют ДП исследуемого плоскопараллельного диэлектрика по формуле (1).The measurement of DP plane-parallel dielectric device of the prototype is as follows. Place the test sheet of plane-parallel dielectric on the comb structure. Frequency-modulated oscillations of the microwave generator through the transmitting antenna excite in the system "comb structure plane-parallel dielectric" PV type E oo . A frequency-modulated signal that has passed through this system is received by a receiving antenna and fed to an indicator. According to the indications of the indicator, the frequency dependence of the transmission coefficient of the system is built and the resonance frequency f p is determined from this dependence, and then the wavelength λ p corresponding to this frequency. Determine the DP of the investigated plane-parallel dielectric by the formula (1).

Прототип устраняет недостаток аналога и позволяет определять ДП εr плоскопараллельных ЛД в более длинноволновом диапазоне, например дециметровом, что связано с использованием ПВ. Однако использование ПВ типа Eoo гребенчатой структуры приводит к тому, что ДП можно измерять только на резонансных частотах fp, которые определяются размерами гребенчатой структуры и на которых выполняются условия самосогласования поверхностных импедансов структуры и ЛД. На других рабочих частотах, отличных от резонансных fp, резко возрастают погрешности, а измерения на высших типах волн Eоп невозможны. Кроме того, прототип не позволяет исследовать неплоские листовые диэлектрики, например выпуклые или вогнутые.The prototype eliminates the lack of an analogue and allows one to determine the DP ε r of plane-parallel LDs in the longer wavelength range, for example, decimetric, which is associated with the use of PV. However, the use of a comb type PV of E oo leads to the fact that the DP can only be measured at resonance frequencies f p , which are determined by the size of the comb structure and at which the self-matching conditions of the surface impedances of the structure and the LD are satisfied. At other operating frequencies other than resonant f p , errors sharply increase, and measurements at higher types of waves E op are impossible. In addition, the prototype does not allow the study of non-planar sheet dielectrics, for example, convex or concave.

Целью настоящего изобретения является повышение точности измерений и расширение класса исследуемых диэлектриков за счет использования ПВЕ высших типов и измерения ДП неплоского ЛД. The aim of the present invention is to improve the accuracy of measurements and the expansion of the class of studied dielectrics through the use of higher-order PVEs and the measurement of the DP of non-flat LD.

Эта цель достигается тем, что в способе измерения ДП ЛД, заключающемся в возбуждении в ЛД, размещенном на металлической подложке, поверхностной электрической волны (ПВЕ), измерении параметров этой волны и определении ДП расчетным путем, новым является то, что в качестве подложки используют металлический лист с гладкой поверхностью, параллельной поверхностям ЛД, регистрируют кривую распределения Φ(h) напряженности поля возбужденной ПВЕ в свободном пространстве над поверхностью ЛД по направлению нормали к его поверхности высотой h ≥ λоп, измеряют на кривой распределения Φ(h) в точках h1, h2, hN от основания нормали величины напряженностей поля U1, U2, UN, вычисляют поперечное волновое число pi ПВЕ в свободном пространстве на отрезках нормали Δhi hi+1 - hi и определяют ДП εri на каждом из этих отрезков Δhi и усредненное значение εr ЛД из соотношений:

Figure 00000005

Figure 00000006

где λоп длина возбужденной ПВЕ в свободном пространстве, м;
i порядок следования точек отсчета от основания нормали; a толщина ЛД, м; N число точек отсчета по нормали, N≥3.This goal is achieved by the fact that in the method for measuring the LD of an LD, which consists in the excitation in an LD placed on a metal substrate of a surface electric wave (PVE), measuring the parameters of this wave and determining the DP by calculation, it is new that metal is used as the substrate sheet with a smooth surface, parallel surfaces LD register Φ (h) distribution curve of the field intensity excited PVE in the headspace above the surface of the LD in the direction normal to its surface height h ≥ λ op, zmeryayut on the transverse wave number p i PVE at points h 1, h 2, h N from the base of the normal values of the field intensities U 1, U 2, U N, calculate Φ (h) of the distribution curve in the free space on the segments normal Δh i h i +1 - h i and determine the DP ε ri on each of these segments Δh i and the average value of ε r LD from the relations:
Figure 00000005

Figure 00000006

where λ op the length of the excited PVE in free space, m;
i the sequence of reference points from the base of the normal; a LD thickness, m; N is the number of reference points along the normal, N≥3.

Наличие новых существенных признаков в предлагаемом техническом решении свидетельствует о соответствии его критерию изобретения "новизна". The presence of new significant features in the proposed technical solution indicates compliance with its criteria of the invention of "novelty."

Известно техническое решение, в котором ЛД размещают на металлическом листе с гладкой поверхностью, параллельной поверхностям ЛД [4, с.84] В известном решении использование металлической подложки с гладкой поверхностью позволяет возбуждать в ЛД одностороннюю ПВЕ любого типа. В предлагаемом техническом решении использование металлического листа с гладкой поверхностью позволяет, кроме этого, определить ДП диэлектрика, в том числе и неплоского, на любом типе ПВЕ, что обусловливает новые свойства предлагаемого объекта. A technical solution is known in which an LD is placed on a metal sheet with a smooth surface parallel to the surfaces of the LD [4, p. 84]. In the known solution, the use of a metal substrate with a smooth surface allows one-sided PVE of any type to be excited in the LD. In the proposed technical solution, the use of a metal sheet with a smooth surface allows, in addition, to determine the dielectric constant of the dielectric, including non-planar, on any type of PVE, which leads to new properties of the proposed object.

Известно техническое решение, в котором измеряют величины напряженностей поля ПВЕ в свободном пространстве над поверхностью ЛД в разных точках hi и по этим измерениям находят высоту локализации поля ПВЕ у поверхности диэлектрика [4, с. 98] В предлагаемом техническом решении величины напряженностей поля ПВЕ в разных точках hi нормали к поверхности ЛД используют для определения ДП ЛД, в котором возбуждена ПВЕ, что обусловливает новые свойства предлагаемого объекта.A technical solution is known in which the values of the PVE field strengths in free space above the LD surface are measured at different points h i and these measurements are used to find the localization height of the PVE field near the dielectric surface [4, p. 98] In the proposed technical solution, the values of the PVE field strengths at different points h i of the normal to the surface of the LD are used to determine the DP of the LD in which the PVE is excited, which leads to new properties of the proposed object.

Известно техническое решение, в котором выбирают число точек отсчета измеряемой величины N≥3 и производят ускорение измеряемой величины по ансамблю измерений [5] В предлагаемом техническом решении, как и в известном, выбор N≥3 и усреднение по ансамблю повышают точность измерения. A technical solution is known in which the number of reference points of the measured quantity N≥3 is selected and the measured value is accelerated by the ensemble of measurements [5] In the proposed technical solution, as well as in the known one, the choice of N≥3 and ensemble averaging increase the measurement accuracy.

Не обнаружены в известных технических решениях регистрация кривой распределения Φ(h) напряженности поля возбужденной ПВЕ в свободном пространстве над поверхностью ЛД по направлению нормали к его поверхности высотой h≥λоп; дискретизация определения поперечного волнового числа pi ПВЕ в свободном пространстве и ДП εri по отрезкам нормали Δhi hi+1 hi; использование поперечного волнового числа pi ПВЕ в свободном пространстве для определения ДП εri; усреднение электрофизического параметра материала диэлектрика по пространственной координате.Not found in the known technical solutions registration of the distribution curve Φ (h) of the field strength of the excited PVE in free space above the surface of the LD in the direction of the normal to its surface with a height h≥λ op ; discretization of the determination of the transverse wave number p i of PVE in free space and DP ε ri along the normal segments Δh i h i + 1 h i ; the use of the transverse wave number p i PVE in free space to determine the DP ε ri ; averaging the electrophysical parameter of the dielectric material over the spatial coordinate.

Эти неизвестные существенные признаки в совокупности с известными позволяют в предлагаемом техническом решении достичь поставленную цель - повысить точность измерений и расширить функциональные возможности. These unknown essential features in combination with the known ones allow us to achieve the goal in the proposed technical solution - to increase the accuracy of measurements and expand the functionality.

Повышение точности измерений в предлагаемом техническом решении достигается за счет использования металлического листа с гладкой поверхностью в качестве подложки ЛД; за счет регистрации кривой распределения Φ(h) напряженности поля возбужденной ПВЕ в свободном пространстве над поверхностью ЛД по направлению нормали к его поверхности высотой h≥λоп; за счет дискретизации измерений напряженности Ui поля ПВЕ в точках h1, h2, hN от основания нормали высотой h≥λоп с количеством точек отсчета N≥3; за счет усреднения ДП εr по ансамблю измерений на пространственной координате.Improving the accuracy of measurements in the proposed technical solution is achieved through the use of a metal sheet with a smooth surface as an LD substrate; due to registration of the distribution curve Φ (h) of the field strength of the excited PVE in the free space above the LD surface in the direction of the normal to its surface with a height h≥λ op ; due to the discretization of measurements of the strength U i of the PVE field at points h 1 , h 2 , h N from the base of the normal with a height h≥λ op with the number of reference points N≥3; due to averaging the DP ε r over the ensemble of measurements on the spatial coordinate.

Использование гладкой поверхности металлической подложки и кривой распределения Φ(h) напряженности поля ПВЕ в свободном пространстве над поверхностью ЛД как факторов, повышающих точность измерений, проявляется прежде всего в том, что оба фактора не предполагают, как это имеет место в прототипе, наличия резонансов в системе измерения и с одинаковой точностью, в отличие от прототипа, работают на любых частотах, на которых выполняются условия возбуждения и распространения ПВЕ в системе "металлический лист - диэлектрик", в то время как прототип предполагает измерения ДП ЛД только на резонансной частоте ωp, причем при уходе от резонансной частоты вверх или вниз по частоте точность измерения ДП падает пропорционально уходу частоты от резонанса (см. формулу (1) описания).The use of a smooth surface of the metal substrate and the distribution curve Φ (h) of the PVE field strength in the free space above the LD surface as factors that increase the measurement accuracy is manifested primarily in the fact that both factors do not assume, as in the prototype, the presence of resonances in the measurement system and with the same accuracy, unlike the prototype, operate at any frequency at which the conditions for the excitation and propagation of the PVE in the metal sheet-dielectric system are satisfied, while the protot n assumes measuring DP LD only at the resonance frequency ω p, and while avoiding the resonance frequency up or down in frequency PD measurement accuracy decreases in proportion to the frequency offset from the resonance (see Eq. (1) description).

Выбор высоты нормали h≥λоп позволяет исключить влияние высших типов волн ПВЕ по сравнению с возбужденным типом λоп, которые также могут возбуждаться в системе "ЛД металлическая подложка". Известно [4, с.98] что в свободном пространстве над поверхностью ЛД практически вся переносимая энергия ПВЕ локализована на высоте ho p-1, где p поперечное волновое число ПВЕ в свободном пространстве. Так как для поверхностных волн системы "ЛД металлическая подложка" всегда p <ko, где ko - волновое число ПВЕ в свободном пространстве, то ho≅λоп, т. е. ПВЕ практически полностью локализована над поверхностью ЛД в пространстве высотой ho≅λоп, где λоп длина возбужденного типа ПВЕ в свободном пространстве. Поскольку длина волны последующего более высокого типа ПВЕ, например λоп+2, значительно меньше длины волны предыдущего типа λоп, то влияние напряженности поля волны λоп+2 на измеряемую величину напряженности поля волны λоп может сказаться только вблизи поверхности ЛД, т.е. в ближайшей к поверхности ЛД точке нормали h1, в остальных же точках h2, h3, hN напряженность поля Eоп+2 < Eоп и практически измеряется только Eоп волны λоп.The choice of the normal height h≥λ op makes it possible to exclude the influence of higher types of PVE waves in comparison with the excited type λ op , which can also be excited in the LD metal substrate system. It is known [4, p. 98] that in the free space above the LD surface, almost all the transferred PVE energy is localized at a height h o p -1 , where p is the transverse wave number of the PVE in free space. Since for surface waves of the “LD metal substrate” system always p <k o , where k o is the wave number of the PVE in free space, then h o ≅λ op , that is, the PVE is almost completely localized above the LD surface in space of height h o ≅λ op , where λ op is the length of the excited type of PVE in free space. Since the wavelength of the subsequent higher type of PVE, for example, λ op + 2 , is much less than the wavelength of the previous type λ op , the influence of the wave field strength λ op + 2 on the measured value of the wave field strength λ op can only affect the surface of the LD, t e. at the normal point h 1 closest to the LD surface, at the other points h 2 , h 3 , h N , the field strength is E op + 2 <E op and practically only E op waves λ op are measured.

И наконец, дискретизация по высоте нормали и усреднение по ансамблю измеренных величин на пространственной координате исключают как проявление случайных погрешностей, так и грубых промахов. Расширение класса исследуемых диэлектриков достигается за счет использования металлического листа с гладкой поверхностью, параллельной поверхности ЛД, в качестве подложки ЛД; за счет использования поперечного волнового числа p ПВЕ в свободном пространстве, вычисляемого по результатам измерения напряженностей поля ПВЕ на кривой распределения этого поля Φ(h), для определения ДП εr. Оба эти фактора дают возможность возбуждать на разных частотах при различных толщинах ЛД любой тип волны ПВЕ, который может существовать в системе "ЛД металлическая подложка", регистрировать кривую распределения поля ПВЕ в свободном пространстве и измерять напряженности поля U1, U2, UN в точках нормали h1, h2, hN и в неплоском ЛД с параллельными поверхностями, причем неплоскость ЛД определяется не измерениями, а только условиями возбуждения и распространения ПВЕ в системе "ЛД металлическая подложка". Таким образом, предполагаемое техническое решение позволяет расширить диапазон рабочих частот, диапазон рабочих толщин ЛД и формы этого ЛД, т.е. проводить измерения ДП в неплоском ЛД с параллельными поверхностями (например, теплозащитного покрытия (ТЗП) летательного аппарата на месте размещения ТЗП).And finally, discretization over the height of the normal and averaging over the ensemble of measured values at the spatial coordinate exclude the manifestation of random errors and gross misses. The expansion of the class of studied dielectrics is achieved through the use of a metal sheet with a smooth surface parallel to the surface of the LD as the substrate of the LD; due to the use of the transverse wave number p PVE in free space, calculated by measuring the PVE field strengths on the distribution curve of this field Φ (h), to determine the DP ε r . Both of these factors make it possible to excite at any frequency at different LD thicknesses any type of PVE wave that can exist in the LD metal substrate system, register the PVE field distribution curve in free space, and measure the field strengths U 1 , U 2 , U N the normal points h 1 , h 2 , h N and in a non-planar LD with parallel surfaces, and the non-planarity of the LD is determined not by measurements, but only by the conditions of excitation and propagation of the PVE in the “LD metal substrate” system. Thus, the proposed technical solution allows to expand the range of working frequencies, the range of working thicknesses of the LD and the shape of this LD, i.e. carry out measurements of RP in non-planar LD with parallel surfaces (for example, heat-protective coating (TZP) of an aircraft at the location of TZP).

Проведенный анализ доказывает соответствие предлагаемого технического решения критерию изобретения "существенные отличия". The analysis proves the conformity of the proposed technical solution to the criteria of the invention "significant differences".

На фиг. 1 приведена структурная схема измерений ДП ЛД; на фиг.2 кривая распределения Φ(h) напряженности поля ПВЕ в свободном пространстве над поверхностью ЛД по направлению нормали к его поверхности; на фиг.3 - графический способ определения ДП по вычисленному значению p (графический способ решения характеристического уравнения). In FIG. 1 shows a structural diagram of the measurements of DP LD; figure 2 distribution curve Φ (h) of the field strength of the PVE in free space above the surface of the LD in the direction normal to its surface; figure 3 is a graphical method for determining the DP by the calculated value of p (a graphical method for solving the characteristic equation).

Измерение ДП ЛД по предлагаемому способу производят следующим образом. Размещают ЛД на гладком металлическом листе. Возбуждают в ЛД ПВЕ нужного типа любым известным способом, например, с помощью несимметричного вертикального вибратора [6] Регистрируют кривую распределения Φ(h) напряженности поля возбужденной ПВЕ в свободном пространстве над поверхностью ЛД по направлению нормали к его поверхности высотой h > λоп, например, ho≈1,5 λоп любым известным способом, например путем измерения напряженности поля ПВЕ высокоомным зондом [7] по высоте нормали и построения графика с координатами: по оси абсцисс величина измеренного поля, по оси ординат - высота нормали от основания (поверхности ЛД). Делят высоту нормали на ряд отрезков в точках h1, h2, hN от основания нормали, N≥3. В каждой точке hi измеряют величину напряженности поля ПВЕ U1, U2, UN. На каждом из отрезков Δhi hi+1 - hi вычисляют поперечное волновое число pi ПВЕ в свободном пространстве, например, по формуле [4, с.98]
pi= (-lnUi+1/Ui)/Δhi (4).
The measurement of DP LD according to the proposed method is as follows. Place the LD on a smooth metal sheet. Excite in the PVE LD of the desired type by any known method, for example, using an asymmetric vertical vibrator [6] Register the distribution curve Φ (h) of the field strength of the excited PVE in the free space above the LD surface in the direction normal to its surface with a height h> λ op , for example , h o ≈1.5 λ op using any known method, for example, by measuring the PVE field strength with a high-resistance probe [7] along the normal height and plotting with coordinates: the abscissa shows the magnitude of the measured field, the ordinate shows the normal height and from the base (LD surface). Divide the height of the normal into a number of segments at points h 1 , h 2 , h N from the base of the normal, N≥3. At each point h i measure the magnitude of the field strength PVE U 1 , U 2 , U N. On each of the segments Δh i h i + 1 - h i calculate the transverse wave number p i PVE in free space, for example, by the formula [4, p. 98]
p i = (-lnU i + 1 / U i ) / Δh i (4).

Определяют ДП εri на каждом таком отрезке Δhi по формуле (2). Усредняют ДП εr на пространственной координате ho по формуле (3).Determine the DP εr i on each such segment Δh i according to the formula (2). Averaging DP ε r on the spatial coordinate h o according to the formula (3).

Устройство для измерения ДП ЛД по предлагаемому способу содержит генератор СВЧ (ГСВЧ) 1, генератор видеоимпульсов (ГВИ) 2, выход которого подключен ко входу внешней модуляции ГСВЧ 1, ЛД 3, размещенный на металлическом листе 4 с гладкой поверхностью, параллельной поверхностям ЛД 3, возбудитель ПВЕ (ВПВЕ) 5, размещенный в ЛД 3, высокоомный зонд 6, размещенный над поверхностью ЛД 3, устройство 7 для закрепления высокоомного зонда 6 и перемещения его вдоль нормали к поверхности ЛД 3, детектор 8, ко входу которого подключен высокоомный зонд 6 и индикаторрегистратор 9, ко входу которого подключен выход детектора 8, а ко входу синхронизации выход синхронизации ГВИ 2. A device for measuring DP LD according to the proposed method contains a microwave generator (HFM) 1, a video pulse generator (HMI) 2, the output of which is connected to an external modulation input of a MHF 1, LD 3, placed on a metal sheet 4 with a smooth surface parallel to the surfaces of the LD 3, pathogen PVE (VPVE) 5, located in the LD 3, a high-resistance probe 6, placed above the surface of the LD 3, a device 7 for fixing the high-resistance probe 6 and moving it along the normal to the surface of the LD 3, detector 8, to the input of which a high-resistance probe 6 is connected and indicator istrator 9, which is connected to the input of the output detector 8 and output to an input synchronization synchronization AIT 2.

Измерение ДП ЛД устройством производят следующим образом. Модулируют ГСВЧ 1 импульсной последовательностью ГВИ 2. Одновременно с началом модуляции синхроимпульсами ГВИ 2 запускают индикатор-регистратор 9. Радиоимпульсы с выхода ГСВЧ 1 подают на вход ВПВЕ 5 для возбуждения ПВЕ в ЛД 3. Регистрируют с помощью высокоомного зонда 6, детектора 8 и индикатора-регистратора 9 кривую распределения Φ(h) напряженности поля ПВЕ в свободном пространстве над поверхностью ЛД 3, перемещая высокоомный зонд 6 вдоль нормали до высоты ho с помощью устройства 7. Делят ho на N 1 отрезков в точках h1, h2, hN. Измеряют в точках hi напряженности поля ПВЕ в свободном пространстве U1, U2, UN. Вычисляют pi на отрезках Δhi hi+1 hi, например, по формуле (4). Определяют εri и εr по формулам (2) и (3).The measurement of DP LD device is as follows. Modify the UHF 1 by the pulse sequence of the GVI 2. Simultaneously with the start of the modulation, the GVI 2 starts the indicator-recorder 9. The radio pulses from the output of the GVV 1 are fed to the input of the UHF 5 to excite the PVE in the LD 3. Register using a high-resistance probe 6, detector 8 and the indicator of registrar 9, the distribution curve Φ (h) of the PVE field strength in free space above the surface of the LD 3, moving the high-resistance probe 6 along the normal to the height h o using device 7. Divide h o into N 1 segments at points h 1 , h 2 , h N. Measured at points h i the field strength of the PVE in free space U 1 , U 2 , U N. Calculate p i on the segments Δh i h i + 1 h i , for example, by the formula (4). Εr i and ε r are determined by formulas (2) and (3).

В качестве ГСВЧ 1 могут быть использованы промышленные генераторы СВЧ, например ГЧ-37А, ГЧ-78 и т.п. в качестве ГВИ 2 промышленные генераторы видеоимпульсов, например Г5-15, Г5-54 и т.п. регистратором-индикатором 9 может быть осциллограф, например С8-17, С1-74 и т.п. высокоомный зонд может быть изготовлен согласно [7] Соединительные фидера могут быть изготовлены из промышленных кабелей РК50-2-22 или РК5-15-16 и т.п. As an HFM 1, industrial microwave generators can be used, for example, ГЧ-37А, ГЧ-78, etc. as GVI 2 industrial generators of video pulses, for example G5-15, G5-54, etc. indicator-recorder 9 may be an oscilloscope, for example, C8-17, C1-74, etc. high-resistance probe can be made according to [7] Connection feeders can be made of industrial cables PK50-2-22 or PK5-15-16, etc.

Лабораторная установка Р1104.500 для измерения ДП ЛД по предлагаемому способу содержит генераторы СВЧ типа ГЧ-37А, ГЧ-78 и ГЧ-79, генератор видеоимпульсов Г5-54, лист алюминия толщиной 5 мм размером 800х1200 мм, высокоомный зонд 1112-Л932, устройство перемещения зонда 1112.ЛО15, осциллограф С8-17, антенну 1106. Л305 в виде вертикального несимметричного вибратора с директором и рефлектором. Ниже приведены примеры определения ДП ЛД на лабораторной установке Р1104.500. Использованы листы текстолита и стеклотекстолита толщиной a 0,012 м и размером 800х1200 мм и фторопласта-4 толщиной a 0,012 мм и размером 400х500 мм. The R1104.500 laboratory setup for measuring the LD LD according to the proposed method comprises microwave generators of the type ГЧ-37А, ГЧ-78 and ГЧ-79, a video pulse generator G5-54, a 5 mm thick aluminum sheet with a size of 800x1200 mm, a high-resistance probe 1112-L932, a device probe movement 1112.LO15, S8-17 oscilloscope, antenna 1106. L305 in the form of a vertical asymmetric vibrator with a director and a reflector. Below are examples of the determination of DP LD in a laboratory setup P1104.500. Sheets of textolite and fiberglass with a thickness of 0.012 m and a size of 800x1200 mm and fluoroplast-4 with a thickness of 0.012 mm and a size of 400x500 mm were used.

Результаты измерений приведены в табл.1 и 2. The measurement results are given in tables 1 and 2.

Погрешность измерения осциллографом С8-17 составляет δu ≅ ±10% Из табл. 2 видно, что определяемая по формулам (2) и (3) величина εr лежит в пределах справочных данных.The measurement error with the C8-17 oscilloscope is δu ≅ ± 10%. 2 shows that the value ε r determined by formulas (2) and (3) lies within the reference data.

Покажем, что предлагаемый способ технически реализуется и составляет техническое решение. Характеристическое уравнение ПВЕ, распространяющееся в листе диэлектрика, размещенного на металлической подложке с гладкой поверхностью, параллельной поверхностям ЛД, имеет вид [4, с.80; 6, с.804]
εrpa = qatg(qa) (5)
где εr диэлектрическая проницаемость ЛД; p поперечное волновое число ПВЕ в свободном пространстве над поверхностью ЛД, м-1; a толщина ЛД, м; q поперечное волновое число ПВЕ в листе диэлектрика, м-1.
We show that the proposed method is technically implemented and is a technical solution. The characteristic PVE equation propagating in a dielectric sheet placed on a metal substrate with a smooth surface parallel to the LD surfaces has the form [4, p. 80; 6, p. 804]
ε r pa = qatg (qa) (5)
where ε r the dielectric constant of the LD; p the transverse wave number of the PVE in free space above the surface of the LD, m -1 ; a LD thickness, m; q the transverse wave number of the PVE in the dielectric sheet, m -1 .

Волновые числа p и q связаны с продольным волновым числом γ ПВЕ (постоянной распространения ПВЕ) и волновыми числами в свободном пространстве Ko и в диэлектрике Kд известными соотношениями [4, с.80]
p2 = γ2-K 2 o ; q2 = K 2 д 2 (6)
где Ko= 2π/λo;

Figure 00000007
; λo длина возбужденной ПВЕ в свободном пространстве, м; εr диэлектрическая проницаемость материала ЛД.The wavenumbers p and q are related to the longitudinal wavenumber γ PVE (propagation constant of PVE) and wavenumbers in the free space K o and in the dielectric K d by known relations [4, p. 80]
p 2 = γ 2 -K 2 o ; q 2 = K 2 d 2 (6)
where K o = 2π / λ o ;
Figure 00000007
; λ o the length of the excited PVE in free space, m; ε r is the dielectric constant of the LD material.

Сложим p2 и q2, получим:

Figure 00000008

Из выражения (7) найдем решение для q, имеем:
Figure 00000009
или
Figure 00000010

Поставим выражение (8a) в характеристическое уравнение (5) ПВЕ, получим
Figure 00000011

Формула (9) суть формула (2) на стр.4 описания заявки.Add p 2 and q 2 to get:
Figure 00000008

From expression (7) we find a solution for q, we have:
Figure 00000009
or
Figure 00000010

We put expression (8a) in the characteristic equation (5) PVE, we obtain
Figure 00000011

Formula (9) is the essence of formula (2) on page 4 of the application description.

Из формулы (9) следует:
а) если известны ДП εr и толщина a ЛД и длина λo возбужденной ПВЕ в свободном пространстве, то можно определить поперечное волновое число p ПВЕ в свободном пространстве как корень характеристического дисперсионного уравнения (9);
б) если известно поперечное волновое число p ПВЕ в свободном пространстве, толщина a ЛД и длина λo возбужденной ПВЕ в свободном пространстве, то можно определить ДП εr как корень дисперсионного уравнения (9). В предлагаемом способе используется именно эта возможность, потому что априори известны толщина a ЛД и длина λo возбужденной ПВЕ в свободном пространстве, которая соответствует рабочей частоте fo: λo cTo, где c 3•108 м/с; To 1/fo - период рабочей частоты, а поперечное волновое число p ПВЕ в свободном пространстве определяется путем определения величин напряженностей поля ПВЕ в нескольких точках над поверхностью ЛД.
From the formula (9) it follows:
a) if the DP ε r and the thickness a LD and the length λ o of the excited PVE in free space are known, then one can determine the transverse wave number p PVE in free space as the root of the characteristic dispersion equation (9);
b) if the transverse wave number p of the PVE in the free space, the thickness a of the LD and the length λ o of the excited PVE in the free space are known, then the DP ε r can be determined as the root of the dispersion equation (9). In the proposed method, it is this possibility that is used, because the thickness a LD and the length λ o of the excited PVE in free space are a priori known, which corresponds to the operating frequency f o : λ o cT o , where c 3 • 10 8 m / s; T o 1 / f o is the period of the operating frequency, and the transverse wave number p of the PVE in free space is determined by determining the values of the PVE field strengths at several points above the surface of the LD.

На фиг.3 показано решение уравнения (9) (нахождение корня уравнения) для листа стеклотекстолита толщиной a 0,012 на частоте fo 750 МГц.Figure 3 shows the solution of equation (9) (finding the root of the equation) for a sheet of fiberglass with a thickness of 0.012 at a frequency f o 750 MHz.

На фиг.2 приведена кривая распределения Φ(h) поля ПВЕ в свободном пространстве над поверхностью ЛД как функция высоты нормали к поверхности ЛД. Figure 2 shows the distribution curve Φ (h) of the PVE field in free space above the surface of the LD as a function of the height of the normal to the surface of the LD.

Известно [4, 6, 9] что ПВЕ не распространяется в свободном пространстве по направлению нормали к поверхности ЛД (т.е. нет переноса энергии в этом направлении), если ЛД плоский и кривизна его k 0, и имеет место, наряду с переносом энергии вдоль поверхности ЛД, перенос энергии по направлению нормали к поверхности ЛД, т.е. излучение в этом направлении, если ЛД неплоский, т.е. кривизна его k≠0. Рассмотрим оба случая. It is known [4, 6, 9] that the PVE does not propagate in free space in the direction normal to the surface of the LD (that is, there is no energy transfer in this direction) if the LD is flat and its curvature is k 0, and it takes place along with the transfer energy along the surface of the LD, energy transfer in the direction normal to the surface of the LD, i.e. radiation in this direction, if the LD is non-planar, i.e. its curvature k ≠ 0. We consider both cases.

Случай плоского ЛД с кривизной k 0. The case of a plane LD with curvature k 0.

В случае плоского ЛД по направлению нормали к поверхности ЛД ПВЕ не распространяется, постоянная распространенная ПВЕ в свободном пространстве по направлению нормали к поверхности ЛД (или что одно и то же, поперечное волновое число p ПВ в свободном пространстве) есть величина чисто мнимая, и амплитуда поля ПВЕ в свободном пространстве над поверхностью ЛД по направлению нормали распределена по экспоненциальному закону:
U U0e-ph,
где U амплитуда поля ПВЕ на высоте h от поверхности;
Uo амплитуда поля на поверхности ЛД;
p поперечное волновое число ПВЕ в свободном пространстве (постоянная распространения ПВЕ в свободном пространстве в направлении нормали к поверхности ЛД);
h высота от поверхности ЛД.
In the case of a flat LD, the PVE does not propagate in the direction normal to the surface of the LD, the constant propagated PVE in free space in the direction normal to the LD surface (or the same thing, the transverse wave number p PV in free space) is purely imaginary, and the amplitude PVE fields in free space above the LD surface in the direction of the normal are distributed exponentially:
UU 0 e -ph ,
where U is the amplitude of the PVE field at a height h from the surface;
U o the amplitude of the field on the surface of the LD;
p the transverse wave number of the PVE in free space (the propagation constant of the PVE in free space in the direction normal to the surface of the LD);
h height from the surface of the LD.

Из формулы (10) следует возможность определения поперечного волнового числа p с помощью измерения амплитуды поля Ui ПВЕ в свободном пространстве по направлению нормали к поверхности ЛД по крайней мере в двух точках. В самом деле, в точке h1 от поверхности ЛД амплитуда поля равна U1 U0e-ph1, в точке h2 > h1 эта амплитуда равна U2 U0e-ph2. Разделим U2 на U1, получим U2/U1 = exp[-p(h2-h1)] = exp(-pΔh). Прологарифмируем последнее выражение и разрешим его относительно p, получим:

Figure 00000012

Таким образом, определено поперечное волновое число в случае плоского ЛД с кривизной поверхности k 0 (радиус кривизны b k-1 ∞).Formula (10) implies the possibility of determining the transverse wave number p by measuring the amplitude of the field U i PVE in free space in the direction of the normal to the surface of the LD at at least two points. In fact, at the point h 1 from the surface of the LD, the field amplitude is U 1 U 0 e -ph1 , at h 2 > h 1 this amplitude is U 2 U 0 e -ph2 . Divide U 2 by U 1 , we get U 2 / U 1 = exp [-p (h 2 -h 1 )] = exp (-pΔh). We logarithm the last expression and solve it with respect to p, we get:
Figure 00000012

Thus, the transverse wave number is determined in the case of a plane LD with a surface curvature k 0 (radius of curvature bk -1 ∞).

Случай неплоского ЛД с кривизной k≠0 (радиус кривизны b≠8). The case of non-planar LD with curvature k ≠ 0 (radius of curvature b ≠ 8).

Для неплоского ЛД с кривизной k≠0 поле ПВЕ в свободном пространстве над поверхностью ЛД описывается выражением [9, 10]
Ez= CH (2) ν (Koh)e-jνΦ (12)
где Ez продольная составляющая поля ПВ в свободном пространстве; C постоянный множитель; H (2) ν функция Ганкеля второго рода, порядка n; Ko= 2π/λo; λo длина возбужденной волны в свободном пространстве, м; h высота по нормали от поверхности ЛД; Φ азимутальная координата.
For a non-planar LD with a curvature k ≠ 0, the PVE field in free space above the LD surface is described by the expression [9, 10]
E z = CH (2) ν (K o h) e -jνΦ (12)
where E z is the longitudinal component of the PV field in free space; C constant factor; H (2) ν Hankel function of the second kind, order n; K o = 2π / λ o ; λ o the length of the excited wave in free space, m; h is the height normal to the surface of the LD; Φ azimuthal coordinate.

В ПВ, распределяющейся вдоль таких поверхностей, наряду с переносом энергии вдоль поверхности (поверхностный эффект) имеет место перенос энергии и вдоль нормали к поверхности ЛД, т.е. излучение энергии ПВ в свободное пространство. Количественно излучаемая энергия определяется соотношением между радиусом кривизны в поверхности ЛД, замедлением ПВ и потерями в диэлектрике, а структура поля по высоте h нормали имеет разный характер в зависимости от высоты. За критическую высоту принята высота, равная
hкр= b(ξ-1) (13)
На высотах от поверхности h≅hкр структура поля полностью совпадает со структурой поля ПВ над плоским ЛД и определяется формулой (10). На высотах от поверхности h>hкр поле ПВ полностью излучается. На высотах h≥hкр имеет место и экспоненциальное распределение по формуле (10) и излучение. Из (10) следует, что при практически реализуемых замедлениях излучением поля ПВЕ над поверхностью неплоского ЛД можно пренебречь, если выполняются условия kob≥40, где b радиус кривизны поверхностей ЛД. Отсюда вытекает критерий использования экспоненциального закона (10) для неплоских ЛД:
b ≥ 6λo (14)
где λo длина возбужденной волны в свободном пространстве, м.
In PV, distributed along such surfaces, along with energy transfer along the surface (surface effect), energy transfer also occurs along the normal to the LD surface, i.e. radiation of PV energy into free space. Quantitatively radiated energy is determined by the ratio between the radius of curvature in the surface of the LD, the slowdown of the PV and losses in the dielectric, and the field structure along the normal height h has a different character depending on the height. The critical height is the height equal to
h cr = b (ξ-1) (13)
At heights from the surface h≅h cr, the field structure completely coincides with the structure of the PV field over a flat LD and is determined by formula (10). At heights from the surface h> h cr, the PV field is completely radiated. At heights h≥h cr, there is an exponential distribution by formula (10) and radiation. From (10) it follows that for practically realized decelerations by radiation of the PVE field above the surface of a nonplanar LD, one can neglect if the conditions k o b≥40 are satisfied, where b is the radius of curvature of the surfaces of the LD. This implies the criterion for using the exponential law (10) for non-planar LDs:
b ≥ 6λ o (14)
where λ o the length of the excited wave in free space, m

В случае, если b < 6λo, необходимо при определении поперечного волнового числа p ПВЕ учитывать потери на излучение. Погонные потери на излучение определяются:

Figure 00000013

где β потери на единицу длины, Нп/м; Ko= 2π/λo; b радиус кривизны, м; λo длина возбужденной ПВ в свободном пространстве, м; ξ замедление ПВЕ; x ≅ 1,05.If b <6λ o , it is necessary when determining the transverse wave number p PVE to take into account radiation losses. The linear radiation loss is determined by:
Figure 00000013

where β loss per unit length, Np / m; K o = 2π / λ o ; b radius of curvature, m; λ o the length of the excited PV in free space, m; ξ retardation of PVE; x ≅ 1.05.

Измерения амплитуды поля U ПВЕ в двух точках h1 и h2 по направлению нормали и в этом случае дают возможность определить поперечное волновое число p ПВЕ в свободном пространстве. Измеренные значения амплитуды поля в точках h1 и h2 в этом случае равны:

Figure 00000014

Отсюда имеем
Figure 00000015

Из выражения (17) имеем
Figure 00000016

где все величины или измерены, или известны.Measurements of the amplitude of the field U PVE at two points h 1 and h 2 in the direction of the normal and in this case make it possible to determine the transverse wave number p PVE in free space. The measured values of the field amplitude at points h 1 and h 2 in this case are equal to:
Figure 00000014

Hence we have
Figure 00000015

From the expression (17) we have
Figure 00000016

where all quantities are either measured or known.

Таким образом, если зарегистрировать кривую распределения напряженности поля ПВЕ в свободном пространстве над поверхностью ЛД по направлению нормали к его поверхности, измерить величины поля U1, U2, UN ПВЕ в точках h1, h2, hN этой нормали, то по формулам (11) или (18) можно вычислить поперечное волновое число pi ПВЕ на каждом отрезке нормали Δhi hi+1 hi, по формулам (2) или (9) определить ДП εri на каждом таком отрезке, а по формуле (3) найти усредненное значение ДП ЛД по всей нормали.Thus, if we register the distribution curve of the PVE field strength in free space above the LD surface in the direction of the normal to its surface, measure the field values U 1 , U 2 , U N PVE at the points h 1 , h 2 , h N of this normal, then using formulas (11) or (18), one can calculate the transverse wave number p i of the PVE on each normal segment Δh i h i + 1 h i , using formulas (2) or (9) determine the DP ε ri on each such segment, and using the formula (3) to find the average value of the LD LD across the normal.

Следовательно, предлагаемый способ технически реализуется и составляет техническое решение. Покажем, что предлагаемое техническое решение дает положительный эффект повышает точность измерений и расширяет функциональные возможности. Что касается измерений ДП неплоского ЛД, то на листах 13 15 заявки показано, что предлагаемым способом можно измерять ДП и неплоских ЛД также успешно, как и плоских, при этом величина кривизны поверхности ЛД определяется не способом измерения, а условиями возбуждения и распространения ПВЕ в конкретной системе "ЛД металлическая подложка". Therefore, the proposed method is technically implemented and constitutes a technical solution. We show that the proposed technical solution gives a positive effect increases the accuracy of measurements and expands the functionality. As for the measurements of the DP of non-planar LD, it is shown on sheets 13-15 of the application that the proposed method can be used to measure the DP and non-planar LD as well as flat, while the curvature of the surface of the LD is determined not by the measurement method, but by the conditions of excitation and propagation of the PVE in a particular system "LD metal substrate".

Использование высших типов волн ПВЕ основано на том свойстве поверхностных волн, что экспоненциальный закон распределения поля ПВ в свободном пространстве над поверхностью по формулам (10) или (16) сохраняется одинаковым для любого типа волны; в формулах (10) или (16) в качестве поперечного волнового числа p определяется величина, соответствующая возбужденному типу волны. Остается верным для любого типа волн и дисперсионное уравнение (2) или (9) опять-таки с использованием значения p, соответствующего возбужденному типу волны в системе "ЛД металлическая подложка с гладкой поверхностью". Система же "ЛД металлическая подложка с гладкой поверхностью" дает возможность возбуждать в ней любой тип ПВЕ, хотя практическое использование того или иного типа обычно связано с наличием генератора СВЧ и чувствительностью приемно-регистрирующей аппаратуры, т.е. принципиально ДП ЛД может быть определена на любом типе ПВЕ одинаково успешно. Эти факторы дают возможность, во-первых, значительно расширить диапазон рабочих частот и производить измерения не только на низшем типе Eoo, но и на любом другом типе Eоп без ограничений, а, во-вторых, расширить диапазон толщин листовых диэлектриков, так как при малых толщинах диэлектрика всегда можно перейти к измерениям на более высокие типы волн, у которых длины волн меньше, замедление и поверхностный эффект выражены ярче и регистрируются значительно легче.The use of higher types of PVE waves is based on the property of surface waves that the exponential distribution law of the PV field in free space above the surface according to formulas (10) or (16) remains the same for any type of wave; in formulas (10) or (16), the quantity corresponding to the excited type of wave is determined as the transverse wave number p. The dispersion equation (2) or (9) also remains true for any type of waves, again using the p value corresponding to the excited type of wave in the "LD metal substrate with smooth surface" system. The “LD metal substrate with a smooth surface” system makes it possible to excite any type of PVE in it, although the practical use of one type or another is usually associated with the presence of a microwave generator and the sensitivity of receiving and recording equipment, i.e. fundamentally, the DP LD can be determined equally successfully on any type of PVE. These factors make it possible, firstly, to significantly expand the range of operating frequencies and make measurements not only on the lower type E oo , but also on any other type of E op without restrictions, and, secondly, to expand the range of thicknesses of sheet dielectrics, since at small thicknesses of the dielectric, it is always possible to switch to measurements for higher types of waves, for which the wavelengths are shorter, the deceleration and surface effect are more pronounced and are recorded much more easily.

Как отмечено на листах 5 7 описания, повышение точности достигается за счет использования системы "ЛД металлическая подложка с гладкой поверхностью", дискретизации определения поперечного волнового числа pi ПВЕ по отрезкам нормали высотой h≥λоп, где λоп длина рабочей волны в свободном пространстве, усреднения по ансамблю измерений на пространственной координате (нормали), и выбора количества точек отсчета на высоте h не менее трех. Дискретизация нормали высотой h≥λоп для измерения величины поля Ui, вычисление pi ПВЕ на участках дискретизации и определение ДП εri на каждом таком участке Δhi исключает, во-первых, погрешности, связанные с полем последующего, по сравнению с используемым, типа волны λоп+2, т.к. поле волны λоп+2 прижато к поверхности диэлектрика и на участках Δhi измерения напряженности поля используемой волны λоп практически отсутствуют, и во-вторых, случайные погрешности одиночного измерения. Выбор не менее трех точек измерения Ui на высоте нормали h связан с оптимальной величиной отрезка, дающей минимальную ошибку определения pi на этом отрезке. Рассмотрим экспоненциальный закон распределения поля (10) на отрезке Δh. Продифференцируем (10) по p и перейдем к конечным Δp приращениями, получим:

Figure 00000017

где Δp p абсолютная погрешность измерения pi на отрезке нормали Δhi. Минимальная величина Δp определяется из выражения
Figure 00000018

Отсюда имеем p•Δh-1 = 0 и
Δh ≃ p-1 (20)
Величина p по определению равна
Figure 00000019
, где γ постоянная распространения ПВ, Ko= 2π/λo, λo длина возбужденной волны в свободном пространстве. Обычно γ ≈1,05Ko, поэтому p≈0,3Ko. Подставим значение p≈0,3Ko в выражение (20), получим
Figure 00000020

Из выражения (21) следует, что минимальная погрешность измерения pi получается тогда, если h≥λоп, а число точек разбиения N > 2, т.е. N≥3.As noted on sheets 5 to 7 of the description, an increase in accuracy is achieved through the use of the system “LD metal substrate with a smooth surface”, discretization of the determination of the transverse wave number p i PVE from normal segments of height h≥λ op , where λ op is the working wave length in free space , averaging over the ensemble of measurements at the spatial coordinate (normal), and choosing the number of reference points at a height h of at least three. Discretization of the normal by a height h≥λ op for measuring the field value U i , calculating p i PVE in the discretization sections and determining the DP ε ri in each such section Δh i eliminates, firstly, the errors associated with the field following, compared to the one used, wave type λ op + 2 , because the wave field λ op + 2 is pressed to the dielectric surface and in the areas Δh i the field strength measurements of the used wave λ op are practically absent, and secondly, random errors of a single measurement. The choice of at least three measurement points U i at the normal height h is associated with the optimal value of the segment giving the minimum error in determining p i on this segment. Consider the exponential distribution law of field (10) on the interval Δh. We differentiate (10) with respect to p and pass to finite Δp increments, we obtain:
Figure 00000017

where Δp p is the absolute measurement error p i on the normal interval Δh i . The minimum value Δp is determined from the expression
Figure 00000018

Hence, we have p • Δh-1 = 0 and
Δh ≃ p -1 (20)
The value of p is by definition equal to
Figure 00000019
where γ is the propagation constant of the PV, K o = 2π / λ o , λ o the length of the excited wave in free space. Usually γ ≈ 1.05K o , therefore p≈0.3K o . We substitute the value p≈0.3K o in the expression (20), we obtain
Figure 00000020

From the expression (21) it follows that the minimum measurement error p i is obtained if h≥λ op , and the number of partition points is N> 2, i.e. N≥3.

Использование системы "ЛД металлическая подложка с гладкой поверхностью" дает возможность отказаться от резонансной системы прототипа "ЛД гребенчатая структура" и проводить измерения ДП с одинаковой точностью на любой частоте, на которой выполнены условия возбуждения и распространения ПВЕ в системе "ЛД металлическая подложка с гладкой поверхностью". Погрешности измерения в такой системе складываются из погрешностей измерения высот h1, h2, hN и напряжений U1, U2, UN, определяются погрешностями измерительных приборов, не зависят от рабочей частоты и не превышают величины ±15% Сравнивать предлагаемый способ с прототипом при работе на частотах, отличных от резонансных или соответствующих высшим типам волн, не представляется возможным, так как измерения на этих частотах в прототипе не определены. На низшем типе ПВЕ, волне Eoo, соответствующей резонансной волне системы "ЛД гребенчатая структура", и прототип и предлагаемый способ дают практически одинаковую точность измерения ДП ЛД; на других частотах с низшим типом волны Eoo, отличных от резонансной частоты системы "ЛД гребенчатая структура", предлагаемый способ дает более точные результаты во столько раз, во сколько рабочая частота отличается от резонансной частоты, что приводит к повышению точности в два и более раза в зависимости от типа и толщины диэлектрика и не превышает величины ±15%
Положительным эффектом предлагаемого способа следует считать и упрощение измерений, связанное с отказом от гребенчатой структуры в качестве подложки ЛД, хотя предлагаемый способ не исключает возможности использования и такой подложки.
Using the system "LD metal substrate with a smooth surface" makes it possible to abandon the resonance system of the prototype "LD comb structure" and to measure the DP with the same accuracy at any frequency at which the conditions for excitation and propagation of PVE in the system "LD metal substrate with a smooth surface " Measurement errors in such a system consist of measurement errors of heights h 1 , h 2 , h N and voltages U 1 , U 2 , U N , are determined by the errors of measuring devices, do not depend on the operating frequency and do not exceed ± 15% Compare the proposed method with the prototype when working at frequencies other than resonant or corresponding to higher types of waves, it is not possible, since measurements at these frequencies in the prototype are not defined. On the lower type of PVE, the wave E oo , the corresponding resonant wave of the "LD comb structure" system, both the prototype and the proposed method give almost the same accuracy in measuring the LD LD; at other frequencies with a lower type of wave E oo , different from the resonance frequency of the "LD comb structure" system, the proposed method gives more accurate results as many times as the operating frequency differs from the resonant frequency, which leads to an increase in accuracy by two or more times depending on the type and thickness of the dielectric and does not exceed ± 15%
A simplified measurement associated with the rejection of the comb structure as an LD substrate should be considered a positive effect of the proposed method, although the proposed method does not exclude the possibility of using such a substrate.

Источники информации
1. В. А.Конев, С.А.Тиханович. Способ определения диэлектрической проницаемости листовых диэлектриков и устройство для его осуществления. Авт. св-во N 1176266 от 30.09.83, кл. G 01 R 27/26. Опубл. 30.08.85. Бюл. N 32.
Information sources
1. V.A. Konev, S.A. Tihanovich. A method for determining the dielectric constant of sheet dielectrics and a device for its implementation. Auth. St. N 1176266 from 09.30.83, cl. G 01 R 27/26. Publ. 08/30/85. Bull. N 32.

2. Г. В.Козлов. Измерение показателей преломления диэлектриков в миллиметровом диапазоне волн. ПТЭ, 1971, N 4, с.152 154. 2. G.V. Kozlov. Measurement of the refractive indices of dielectrics in the millimeter wavelength range. PTE, 1971, N 4, p. 152 154.

3. Б. П. Иванов, В.Н.Каханин. Способ измерения параметров плоскопараллельных диэлектриков. Авт. св-во N 1161899 от 10.06.83, кл. G 01 R 27/26. Опубл. 15.06.85. Бюл. N 22. 3. B.P. Ivanov, V.N. Kakhanin. A method of measuring the parameters of plane-parallel dielectrics. Auth. St. N 1161899 from 10.06.83, cl. G 01 R 27/26. Publ. 06/15/85. Bull. N 22.

4. Я.Н.Фельд, Л.С.Бененсон. Антенно-фидерные устройства. Ч. 2, ВВИА им. Н.Е.Жуковского. М. 1959, с. 70 98. 4. J.N. Feld, L.S. Benenson. Antenna feeder devices. Part 2, VVIA them. N.E. Zhukovsky. M. 1959, p. 70 98.

5. А. И. Астайкин, А. П.Помазков. Способ зондовой диагностики плазмы и устройство для его осуществления. Авт. св-во N 1584726 от 28.12.88, кл. H 05 H 1/0О. 5. A.I. Astaykin, A.P. Pomazkov. Method for probe plasma diagnostics and device for its implementation. Auth. St. N 1584726 from 12.28.88, cl. H 05 H 1 / 0O.

6. М.А.Миллер, В.И.Таланов. Использование понятия поверхностного импеданса в теории поверхностных электромагнитных волн. Изв. ВУЗов, Радиофизика, т.4, 1961, N 5, с.795 830. 6. M.A. Miller, V.I. Talanov. Using the concept of surface impedance in the theory of surface electromagnetic waves. Izv. Universities, Radiophysics, vol. 4, 1961, N 5, p. 795 830.

7. Р.А.Силин, В.П.Сазонов. Замедляющие системы. М. Сов. радио, 1966, с. 472 475. 7. R.A.Silin, V.P. Sazonov. Slow down systems. M. Sov. radio, 1966, p. 472,475.

8. М. А.Миллер, В.И.Таланов. Поверхностная электромагнитная волна, направляемая границей с малой кривизной. ЖТФ, т.26, 1956, N 2, с.2755. 8. M. A. Miller, V. I. Talanov. A surface electromagnetic wave guided by a boundary with a small curvature. ZhTF, v.26, 1956, N 2, p.2755.

9. Г.Т.Марков, А.Ф.Чаплин. Возбуждение электромагнитных волн. М.-Л. Энергия, 1967, с.281 286. ТТТ1 ТТТ2 ЫЫЫ2 9. G.T. Markov, A.F. Chaplin. Excitation of electromagnetic waves. M.-L. Energy, 1967, p. 281 286. TTT1 TTT2 NYY2

Claims (1)

Способ измерения диэлектрической проницаемости листового диэлектрика, заключающийся в возбуждении в листовом диэлектрике, размещенном на металлической подложке, поверхностной электрической волны, измерении параметров этой волны и определении диэлектрической проницаемости расчетным путем, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и расширения класса исследуемых диэлектриков, за счет использования поверхностных электрических волн высших типов и измерения диэлектрической проницаемости неплоского листового диэлектрика, используя в качестве подложки металлический лист с гладкой поверхностью, параллельной поверхностям листового диэлектрика, регистрируют распределения Φ(h) напряженности поля возбужденной поверхностной электрической волны в свободном пространстве над поверхностью листового диэлектрика по направлению нормали к его поверхности высотой h≥ λоп, измеряют на кривой распределения в точках h1, h2, hN от основания нормали величины напряженностей поля U1, U2, UN, вычисляют поперечное волновое число Pi поверхностной электрической волны в свободном пространстве на отрезках нормали Δhi= hi+1-hi и определяют диэлектрическую проницаемость εri по каждому из отрезков Δhi и усредненное значение εr листового диэлектрика из соотношений:
Figure 00000021

Figure 00000022

где λоп длина возбужденной поверхностной электрической волны в свободном пространстве, м;
i порядок следования точек отсчета от основания нормали;
а толщина листового диэлектрика; м;
N число точек отсчета на нормали, N ≥3.
A method for measuring the dielectric constant of a sheet dielectric, which consists in exciting a surface electric wave in a sheet dielectric placed on a metal substrate, measuring the parameters of this wave and determining the dielectric constant by calculation, characterized in that, in order to improve the measurement accuracy and expand the class of studied dielectrics, due to the use of surface electric waves of the highest types and measurement of the dielectric constant of non-planar sheet dielectric trica, using as a substrate a metal sheet with a smooth surface parallel to the surfaces of the sheet dielectric, register the distribution Φ (h) of the field strength of the excited surface electric wave in the free space above the surface of the sheet dielectric in the direction normal to its surface with a height h≥ λ op , measured the distribution curve at points h 1 , h 2 , h N from the base of the normal value of the field strengths U 1 , U 2 , U N , calculate the transverse wave number P i of the surface electric wave in s free space on the normal segments Δh i = h i + 1 -h i and determine the dielectric constant ε ri for each of the segments Δh i and the average value ε r of the sheet dielectric from the relations:
Figure 00000021

Figure 00000022

where λ op the length of the excited surface electric wave in free space, m;
i the sequence of reference points from the base of the normal;
and the thickness of the dielectric sheet; m;
N is the number of reference points on the normals, N ≥3.
SU4943438 1991-06-07 1991-06-07 Method of measurement of dielectric permittivity of sheet dielectric RU2062476C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU4943438 RU2062476C1 (en) 1991-06-07 1991-06-07 Method of measurement of dielectric permittivity of sheet dielectric

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU4943438 RU2062476C1 (en) 1991-06-07 1991-06-07 Method of measurement of dielectric permittivity of sheet dielectric

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2062476C1 true RU2062476C1 (en) 1996-06-20

Family

ID=21578251

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU4943438 RU2062476C1 (en) 1991-06-07 1991-06-07 Method of measurement of dielectric permittivity of sheet dielectric

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2062476C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2520537C2 (en) * 2012-09-25 2014-06-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Method to measure resonance structure characteristics and device for its implementation
RU2550593C1 (en) * 2013-11-26 2015-05-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технически университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (КНИТУ-КАИ) Method for measurement of characteristics of resonant structures and device for its implementation

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Авторское свидетельство СССР N 1161899, кл. G 01 R 27/26, опубл. 1985. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2520537C2 (en) * 2012-09-25 2014-06-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Method to measure resonance structure characteristics and device for its implementation
RU2550593C1 (en) * 2013-11-26 2015-05-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технически университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (КНИТУ-КАИ) Method for measurement of characteristics of resonant structures and device for its implementation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0194941A2 (en) Heterodyne interferometer system
RU2331894C1 (en) Method of dielectric properties measurement for material bodies and device for its implementation
Gusakov et al. Correlation enhanced-scattering diagnostics of small scale plasma turbulence
Shimin A new method for measuring dielectric constant using the resonant frequency of a patch antenna
RU2062476C1 (en) Method of measurement of dielectric permittivity of sheet dielectric
RU2665593C1 (en) Material dielectric properties measuring method and device for its implementation
RU2504739C1 (en) Device for determining fluid level in container
Ivanov On the synthetic aperture radar imaging of ocean surface waves
Pylypenko et al. Рhase ambiguity resolution in relative displacement measurement by microwave interferome-try
CN214174613U (en) Absolute distance measuring device based on microwave frequency domain interference
RU2504740C1 (en) Method of measurement of fluid level in container
RU2079144C1 (en) Device for measurement of complex reflection factor in quasi-optical sections
RU2713162C1 (en) Method of determining dielectric permeability of material
Doronin et al. Displacement measurement using a two-probe implementation of microwave interferometry
Corona et al. A new technique for free-space permittivity measurements of lossy dielectrics
RU2084877C1 (en) Microwave humidity-measurement method (option)
RU2161781C1 (en) Method of determining anisotropic liquid level in reservoir
Hoffmann et al. Microwave interferometric method for metal sheet thickness measurement
RU2240504C1 (en) Method for determining thickness of dielectric material
SU1758530A1 (en) Method of measuring dielectric penetration of materials
SU1753379A1 (en) Method of measuring dielectric covering thickness of metals and device for realization
CN112859060B (en) Absolute distance measuring device and method based on microwave frequency domain interference
RU2003991C1 (en) Device for measuring dielectric permeability of material
SU1599796A1 (en) Method of measuring phase difference
RU2721472C1 (en) Method of determining dielectric permeability of anisotropic dielectrics