RU2194285C1

RU2194285C1 - Method determining high values of complex dielectric permittivity of impedance materials

Info

Publication number: RU2194285C1
Application number: RU2001106866A
Authority: RU
Inventors: Г.В. Дмитриенко; Н.А. Трефилов
Original assignee: Ульяновский государственный технический университет
Priority date: 2001-03-13
Filing date: 2001-03-13
Publication date: 2002-12-10

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: method deals with radio measurement of parameters of SHF absorbing materials, specifically, to measurement of complex dielectric permittivity and loss tangent of dielectric in composite materials of carbon plastic type. Method includes measurement of roughness of surface of measured specimen of material, selection of reference shorting device of same roughness as measured material, measurement of complex reflection factor of reference shorting device and measured specimen and processing of measurement results with computation of values of complex dielectric permittivity and loss tangent of dielectric material. EFFECT: increased accuracy of measuring of phase reflection factor of composite materials of carbon plastic type with rough surfaces. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области радиоизмерений параметров поглощающих диэлектрических материалов на СВЧ, в частности к измерению комплексной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь композиционных материалов типа углепластиков, характеризующихся большими значениями комплексной относительной диэлектрической проницаемостью

, имеющих шероховатую поверхность.The invention relates to the field of radio measurements of parameters of absorbing dielectric materials at microwave frequencies, in particular, to measuring the complex dielectric constant and the dielectric loss tangent of composite materials such as carbon plastics, characterized by large values of the complex relative dielectric constant

having a rough surface.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа способ для измерения комплексной диэлектрической проницаемости косвенным методом [см. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз, 1963, 192 с.]. Измерения проводятся в два этапа, вначале к волноводному фланцу подключается эталонный короткозамыкатель 1 и производится калибровка установки (см. фиг. 1), затем к волноводному фланцу взамен эталонного короткозамыкателя крепится исследуемый плоский образец диэлектрика (фиг.1). От СВЧ-генератора по волноводу 1 подается зондирующая электромагнитная волна. Информация о параметрах материала заключается в амплитудах и фазах отраженных волн, т.е. в комплексном коэффициенте отражения. Для измерения коэффициента отражения могут применяться одиночные и многозондовые измерительные линии, автоматические измерительные линии, автоматические измерители полных сопротивлений и т.п. Обработка результатов производится по методике [см. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз, 1963, 192 с.]. Closest to the technical nature of the claimed invention is a method selected for prototype measurement of complex dielectric constant by an indirect method [see Brandt A.A. The study of dielectrics at microwave frequencies. - M .: Fizmatgiz, 1963, 192 p.]. The measurements are carried out in two stages, first the reference short circuit 1 is connected to the waveguide flange and the installation is calibrated (see Fig. 1), then the studied flat dielectric sample is attached to the waveguide flange instead of the reference short circuit (Fig. 1). A sounding electromagnetic wave is supplied from the microwave generator through the waveguide 1. Information on the material parameters consists in the amplitudes and phases of the reflected waves, i.e. in the complex reflection coefficient. Single and multi-probe measuring lines, automatic measuring lines, automatic impedance meters, etc. can be used to measure reflection coefficient. Processing of the results is carried out according to the method [see Brandt A.A. The study of dielectrics at microwave frequencies. - M .: Fizmatgiz, 1963, 192 p.].

Недостатком описанного прототипа является низкая точность измерения комплексной относительной диэлектрической проницаемости. The disadvantage of the described prototype is the low accuracy of measuring the complex relative dielectric constant.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что известный способ имеет низкую точность измерения больших значений диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ, при которых |Г|_→1, а φ-->180^o из-за большой крутизны зависимости ε(φ), tgδ(φ) в области φ-->180^o (см. фиг.2). При этом инструментальные и методические погрешности способа приводят к большим ошибкам измерения ε и tgδ Одной из причин погрешностей является отличие в величине шероховатостей поверхности эталонного короткозамыкателя 2 (см. фиг.1,а) и измеряемого образца 2 (см. фиг.1,б).The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the known method adopted as a prototype include the fact that the known method has low accuracy of measuring large values of dielectric constant ε and dielectric loss tangent tanδ, for which | G | _ → 1, and φ -> 180 ^o due to the large steepness of the dependence ε (φ), tanδ (φ) in the region φ -> 180 ^o (see figure 2). Moreover, the instrumental and methodological errors of the method lead to large errors in the measurement of ε and tanδ. One of the reasons for the errors is the difference in the surface roughness of the reference short circuit 2 (see Fig. 1, a) and the measured sample 2 (see Fig. 1, b) .

Из-за отклонения плоскости прилегания образца 3 (см. фиг.1а,б) к волноводу 1 от поверхности отражения 4 (см. фиг.1.б) зондирующей электромагнитной волны появляется методическая ошибка, величина которой по фазе равна

где Δх - отклонения плоскости отражения зондирующей волны от плоскости прилегания образца, λ_в - длина волны в волноводе.Due to the deviation of the contact plane of sample 3 (see Fig. 1a, b) to the waveguide 1 from the reflection surface 4 (see Fig. 1b) of the probe electromagnetic wave, a methodological error appears, the magnitude of which is equal in phase to

where Δх - deviations of the reflection plane of the probe wave from the plane of contact of the sample, λ _in - the wavelength in the waveguide.

Ошибка является недопустимо большой при |ε|> 100 при Δх=5 мкм и λ_в=8 мм Δφ=0,45^o=27', что соответствует измерениям образцов с шероховатостью поверхности не лучше 5-6 класса (высота микронеровностей 3-7 мкм) и измерениям в 8 мм диапазоне длин волн. Например, фазовая ошибка в 1^o для материала из углепластика дает погрешность вычисления относительной комплексной диэлектрической проницаемости на 70% и более.The error is unacceptably large for | ε |> 100 for Δх = 5 μm and λ _in = 8 mm Δφ = 0.45 ^o = 27 ', which corresponds to measurements of samples with a surface roughness not better than class 5-6 (microroughness height 3-7 microns) and measurements in the 8 mm wavelength range. For example, a phase error of 1 ^o for a carbon fiber material gives an error in calculating the relative complex permittivity of 70% or more.

Сущность изобретения заключается в следующем. The invention consists in the following.

В процессе измерения и обработки результатов измерений не учитывается шероховатость поверхности измеряемого образца и эталонного короткозамыкателя, с которым производится сравнение. Такое допущение приводит к погрешности измерения фазы, которое для традиционных методов и традиционных материалов вносит погрешность в допустимых пределах при вычислении комплексной относительной диэлектрической проницаемости, для углепластиков же (имеющих одновременно большие значения относительной диэлектрической проницаемости более 100 и тангенса угла диэлектрических потерь до 1 и более) эта погрешность дает недопустимо большую ошибку при вычислении комплексной относительной диэлектрической проницаемости. Поэтому для повышения точности измерения фазы в качестве эталона предлагается использовать короткозамыкатель, имеющий такую же шероховатость поверхности, как измеряемый материал. Например, такой короткозамыкатель можно изготовить из образца измеряемого материала, на который нанесено металлическое отражающее покрытие, например, методом вакуумного напыления. In the process of measuring and processing the measurement results, the surface roughness of the measured sample and the standard short circuit, with which the comparison is made, are not taken into account. Such an assumption leads to an error in the phase measurement, which for traditional methods and traditional materials introduces an error within acceptable limits when calculating the complex relative permittivity, for carbon plastics (having simultaneously large relative permittivities of more than 100 and a dielectric loss tangent of up to 1 or more) this error gives an unacceptably large error in calculating the complex relative permittivity. Therefore, to improve the accuracy of the phase measurement, it is proposed to use a short circuit having the same surface roughness as the measured material as a reference. For example, such a short circuit can be made from a sample of the measured material on which a metal reflective coating is applied, for example, by vacuum spraying.

Такой эталон повторяет рельеф шероховатой поверхности исследуемого материала и устраняет паразитный набег фазы, вызванный несовпадением шероховатости поверхности измеряемого материала и эталонного короткозамыкателя. Such a standard repeats the relief of the rough surface of the studied material and eliminates the parasitic phase incursion caused by the mismatch of the surface roughness of the measured material and the standard short circuit.

Технический результат - повышение точности измерения фазы комплексного коэффициента отражения от композиционных материалов типа углепластиков, имеющих шероховатую поверхность. EFFECT: increased accuracy of measuring the phase of the complex reflection coefficient from composite materials such as carbon plastics having a rough surface.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе измерения комплексного коэффициента отражения, включающем открытый на конце прямоугольный волновод, заканчивающийся фланцем, эталонный короткозамыкатель и измеряемый образец материала, использующийся в качестве замыкающей пластины, особенность заключается в том, что сначала производят измерение шероховатости поверхности измеряемого образца материала, затем выбирают эталонный короткозамыкатель, имеющий такую же шероховатость поверхности, как измеряемый материал, или изготавливают такой которокозамыкатель, который имеет такую же шероховатость. Это устраняет паразитный набег фазы, вызванный разностью шероховатостей поверхности измеряемого материала и эталона. The specified technical result in the implementation of the invention is achieved by the fact that in the known method for measuring the complex reflection coefficient, including a rectangular waveguide open at the end, ending with a flange, a standard short circuit and a measured sample of material used as a closing plate, the feature is that the measurement is carried out first the surface roughness of the measured sample of material, then choose a standard short circuit having the same roughness n surface, measured as the material or manufactured such kotorokozamykatel, which has the same roughness. This eliminates the stray phase incursion caused by the difference in surface roughness of the measured material and the standard.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. The analysis of the prior art by the applicant, including a search by patent and scientific and technical sources of information, and the identification of sources containing information about analogues of the claimed invention, allowed to establish that the applicant did not find a source characterized by features identical to all the essential features of the claimed invention.

Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения. The definition from the list of identified analogues of the prototype, as the closest in the totality of the features of the analogue, allowed us to establish a set of significant distinctive features in relation to the applicant’s perceived technical result in the claimed method set forth in the claims.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна". Therefore, the claimed invention meets the condition of "novelty."

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:
- дополнение известного средства какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения;
- замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены,
- исключение какой-либо части средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата;
- увеличение количества однотипных элементов, действий для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов, действий;
- выполнение известного средства или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала;
- создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между другими.To verify the compliance of the claimed invention with the condition "inventive step", the applicant conducted an additional search for known solutions in order to identify signs that match the features of the claimed method that are different from the prototype. The search results showed that the claimed invention does not derive explicitly from the prior art for the specialist, since the influence of the transformations provided for by the essential features of the claimed invention on the achievement of the technical result is not revealed from the prior art determined by the applicant, in particular, the following transformations are not provided for by the claimed invention:
- the addition of a known means by any known part, attached to it according to known rules to achieve a technical result, in respect of which the effect of such an addition is established;
- replacement of any part of a known product with another known part to achieve a technical result, in respect of which the effect of such a replacement is established,
- the exclusion of any part of the funds with the simultaneous exclusion due to its function and the achievement of the usual result for such exclusion;
- an increase in the number of elements of the same type, actions to enhance the technical result, due to the presence in the tool of just such elements, actions;
- the implementation of a known tool or part of a known material to achieve a technical result due to the known properties of this material;
- the creation of a tool consisting of known parts, the choice of which and the relationship between them are based on known rules, recommendations, and the technical result achieved in this case is due only to the known properties of the parts of this tool and the relationships between others.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака, представлении таких признаков во взаимосвязи, либо изменении ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, закономерностей. The described invention is not based on a change in a quantitative characteristic, the presentation of such signs in relationship, or a change in its appearance. This refers to the case when the fact of the influence of each of these characteristics on the technical result is known and new values of these signs or their relationship could be obtained on the basis of known dependencies and patterns.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень". Therefore, the claimed invention meets the condition of "inventive step".

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата. Information confirming the possibility of carrying out the invention with obtaining the above technical result.

Способ реализуется с помощью устройства, приведенного на фиг.1,б, где 1 - волновод, 2 - измеряемый образец, 3 - плоскость прилегания измеряемого образца, 4 - плоскость отражения измеряемого образца. The method is implemented using the device shown in figure 1, b, where 1 is the waveguide, 2 is the measured sample, 3 is the plane of contact of the measured sample, 4 is the reflection plane of the measured sample.

Вначале производят измерение шероховатости поверхности измеряемого образца материала. Далее выбирают эталонный короткозамыкатель с шероховатостью, повторяющей шероховатость измеряемого образца, или изготавливают такой которокозамыкатель, который имеет такую же шероховатость. После этого измеряют комплексный коэффициент отражения от эталонного короткозамыкателя и измеряемого образца и обрабатывают результаты измерений с вычислением значений комплексной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь. First, measure the surface roughness of the measured material sample. Next, choose a standard short circuit with a roughness that repeats the roughness of the measured sample, or make such a short circuit that has the same roughness. After that, measure the complex reflection coefficient from the reference short circuit and the measured sample and process the measurement results with the calculation of the values of the complex permittivity and the dielectric loss tangent.

Для проведения измерений больших значений комплексной диэлектрической проницаемости импедансных материалов производят измерение комплексного коэффициента отражения от шероховатой поверхности измеряемого материала. Берутся два образца, на один образец наносят (напыляется металл) материал с высокими отражающими свойствами, например серебро. Этот образец используется в качестве эталонного короткозамыкателя. Второй образец используется как измеряемый образец. Измерения проводятся в два этапа, с образцом с нанесенным на него покрытием и с замыкающей пластиной образца. От СВЧ-генератора по волноводу на образец подается зондирующая электромагнитная волна. Информация о параметрах материала заключается в амплитуде и фазе отраженной волны, т.е. в комплексном коэффициенте отражения. To measure large values of the complex permittivity of impedance materials, the complex reflection coefficient of the rough surface of the measured material is measured. Two samples are taken, a material with high reflective properties, for example silver, is applied (metal sprayed) onto one sample. This sample is used as a reference short circuit. The second sample is used as a measured sample. The measurements are carried out in two stages, with the sample coated on it and with the locking plate of the sample. A probe electromagnetic wave is supplied from a microwave generator through a waveguide to a sample. Information about the parameters of the material consists in the amplitude and phase of the reflected wave, i.e. in the complex reflection coefficient.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно...Thus, the above information indicates the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed invention:
- a tool embodying the claimed method in its implementation, is intended for use in industry, namely ...

- для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".- for the claimed method in the form described in the independent clause of the claims, the possibility of its implementation using the means and methods described in the application or known prior to the priority date is confirmed;
Therefore, the claimed invention meets the condition of "industrial applicability".

Claims

A method for determining large values of the complex permittivity of impedance materials, which consists in measuring the complex reflection coefficient from the waveguide, at the end of which a reference short circuit is installed, and then a measured sample of material, followed by processing the results, characterized in that at first, the surface roughness of the measured sample of material is measured , then select a standard short circuit having the same surface roughness as the measured mat rial, thereafter measured complex reflection coefficients of the selected reference and measured sample circuiting and generate processing results of measurement values with calculation of the complex dielectric constant and dielectric loss tangent.