RU2199760C2

RU2199760C2 - Device for measuring large values of complex dielectric permeability of high degree absorbing materials using uhf

Info

Publication number: RU2199760C2
Application number: RU2001106868A
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: 2003-02-27

Abstract

FIELD: electric engineering. SUBSTANCE: device has rectangular wave guide short-circuited at the end. Longitudinal slit of large length having coordinating bevels is made on its lateral side. The slit is covered with standard short circuit member or sample under study. EFFECT: high accuracy of measurements. 5 dwg

Description

Изобретение относится к области измерения электрических величин и может быть использовано в производстве существующих и новых поглощающих материалов типа углепластиков, применяется в СВЧ диапазоне, а также для контроля электрических параметров диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь. The invention relates to the field of measuring electrical quantities and can be used in the production of existing and new absorbing materials such as carbon plastics, used in the microwave range, and also to control the electrical parameters of the dielectric constant and the dielectric loss tangent.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранное в качестве прототипа устройство для измерения комплексной диэлектрической проницаемости косвенным методом, включающее открытый на конце прямоугольный волновод 1, заканчивающийся фланцем, эталонный короткозамыкатель и измеряемый материал 3, использующийся в качестве замыкающей пластины [см. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М. : Физматгиз, 1963. - 192 с.]. Измерения проводятся в два этапа, в начале к волноводному фланцу подключается короткозамыкатель и производится калибровка установки, затем к волноводному фланцу взамен 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 от образца. 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 следующей методике [см. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз, 1963. - 192 с.]. The closest in technical essence to the claimed invention is a device for measuring complex dielectric permittivity, selected as a prototype, by an indirect method, including a rectangular waveguide 1 open at the end and ending with a flange, a short-circuit reference and the measured material 3 used as a closing plate [see Brandt A.A. The study of dielectrics at microwave frequencies. - M.: Fizmatgiz, 1963. - 192 p.]. The measurements are carried out in two stages, at the beginning a short circuit is connected to the waveguide flange and the installation is calibrated, then the studied flat dielectric sample is attached to the waveguide flange instead of the short circuit (Fig. 1). A sounding electromagnetic wave is supplied from the microwave generator through the waveguide 1. Information on the parameters of the material consists in the amplitudes and phases of the reflected waves, i.e. in the complex reflection coefficient from the sample. 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 following procedure [see Brandt A.A. The study of dielectrics at microwave frequencies. - M .: Fizmatgiz, 1963. - 192 p.].

Коэффициент отражения имеет вид

Здесь

, где ε′ - вещественная часть диэлектрической проницаемости; ε″ - мнимая часть диэлектрической проницаемости; tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь.The reflection coefficient has the form

Here

where ε ′ is the real part of the dielectric constant; ε ″ is the imaginary part of the dielectric constant; tanδ is the dielectric loss tangent.

Формулу (1) можно представить в следующем виде:

На фиг. 2 показаны графики зависимости относительной диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ от (|Г|, φ), при φ_→180^° графики очень быстро возрастают, поэтому при наличии инструментальной ошибки измерения φ получатся большая ошибка определения относительной диэлектрической проницаемости ε.Formula (1) can be represented as follows:

In FIG. Figure 2 shows the graphs of the dependence of the relative permittivity ε and the dielectric loss tangent tanδ on (| Г |, φ), at φ_ → 180 ^{° the} graphs increase very quickly, therefore, if there is an instrumental error in measuring φ, a large error in determining the relative permittivity ε will be obtained.

Недостатком описанного прототипа являются большие ошибки измерения ε и tgδ для сильно поглощающих материалов, имеющих одновременно большие значения диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ и характеризующихся большими коэффициентами отражения от образца. Это происходит потому, что в известном устройстве взаимодействие зондирующей волны с исследуемым образцом происходит на участке малых размеров, что повышает чувствительность метода к ошибкам измерений. Потому что при наличии инструментальной погрешности измерения амплитуды |Г| и фазы |φ| коэффициента отражения из-за большой крутизны графиков ε(φ), tgδ(φ) для разных значений амплитуды Г коэффициента отражения значения ε и tgδ будут характеризоваться большими ошибками. The disadvantage of the described prototype is the large measurement errors ε and tanδ for strongly absorbing materials having both large dielectric constant ε and dielectric loss tangent tanδ and characterized by large reflection coefficients from the sample. This is because, in the known device, the interaction of the probe wave with the test sample occurs in a small area, which increases the sensitivity of the method to measurement errors. Because if there is an instrumental error in measuring the amplitude | G | and phases | φ | reflection coefficient due to the large steepness of the graphs ε (φ), tanδ (φ) for different values of the amplitude G of the reflection coefficient, the values of ε and tanδ will be characterized by large errors.

Сущность изобретения заключается в уменьшении погрешности измерения относительной диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ сильно поглощающих материалов типа углепластиков, обладающих одновременно большими значениями диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ. The essence of the invention is to reduce the measurement error of the relative permittivity ε and the dielectric loss tangent tgδ of strongly absorbing materials such as carbon fiber reinforced plastic, which simultaneously have large dielectric permittivity ε and the dielectric loss tangent tgδ.

Технический результат - возможность получения более точной измерительной информации о комплексной диэлектрической проницаемости сильно поглощающих материалов, имеющих одновременно большие значения диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ, что необходимо при производстве таких материалов при контроле за ходом технологии производства и при проектировании СВЧ изделий из таких материалов, например защитных укрытий. The technical result is the ability to obtain more accurate measurement information on the complex dielectric constant of highly absorbing materials having simultaneously high values of dielectric constant ε and dielectric loss tangent tanδ, which is necessary in the production of such materials while monitoring the progress of the production technology and in the design of microwave products from such materials, such as shelters.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для измерения больших значений комплексной диэлектрической проницаемости поглощающих материалов на СВЧ представляет собой короткозамкнутый прямоугольный волновод, у которого на одной из боковых стенок выполнена продольная щель большой длины параллельно оси волновода и снабженная согласующими скосами. Ширина щели может совпадать с шириной соответствующей стенки волновода. Измерение диэлектрической проницаемости производится в два этапа, в начале щель закрывается эталонным короткозамыкателем, затем щель закрывается пластиной исследуемого материала. От СВЧ генератора по волноводу подается зондирующая электромагнитная волна, которая распространяется по волноводу со щелью и взаимодействует с измеряемым образцом. В обоих случаях производится измерение комплексного коэффициента отражения

от волновода со щелью. Значения ε и tgδ измеряемого материала находятся из результатов измерений по дисперсионным уравнениям

и уравнению коэффициента распространения моды Н₁₀ [см. Левин Л. Теория волноводов. - М.: Радио и связь, 1981, 312 с.]. Причем указанное уравнение имеет меньшую чувствительность к инструментальным ошибкам измерения |Г| и φ, так как изменяются условия взаимодействия зондирующей волны с исследуемым материалом, что приводит к накоплению измерительной информации.The specified technical result is achieved in that the device for measuring large values of the complex dielectric constant of absorbing materials on a microwave is a short-circuited rectangular waveguide, in which a longitudinal slit of large length is made on one of the side walls parallel to the axis of the waveguide and equipped with matching bevels. The width of the slit may coincide with the width of the corresponding waveguide wall. The permittivity is measured in two stages, at the beginning the gap is closed with a standard short circuit, then the gap is closed with a plate of the material under study. A sounding electromagnetic wave is supplied from the microwave generator through the waveguide, which propagates along the waveguide with a slit and interacts with the measured sample. In both cases, the measurement of the complex reflection coefficient

from the waveguide with a gap. The values of ε and tanδ of the measured material are found from the results of measurements according to the dispersion equations

and the equation of the mode propagation coefficient H ₁₀ [see Levin L. Theory of waveguides. - M .: Radio and communications, 1981, 312 p.]. Moreover, this equation has less sensitivity to instrumental measurement errors | G | and φ, since the conditions for the interaction of the probe wave with the material under study change, which leads to the accumulation of measurement information.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, 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, allowed to establish that the applicant did not find an analogue characterized by features identical to all the essential features of the claimed invention.

Определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном решении. The definition from the list of identified analogues of the prototype made it possible to identify a set of significant distinctive features in relation to the applicant's perceived technical result in the claimed solution.

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 устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности заявленным изобретением не предусматриваются следующие требования:
- дополнение известного средства какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений,
- замена какой-либо части средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата;
- увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов;
- 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 device that are different from the prototype. The search results showed that the claimed invention does not follow explicitly from the prior art for the specialist, the effect of the transformations provided for by the essential features of the claimed invention on the achievement of a technical result is not revealed, in particular, the claimed invention does not provide for the following requirements:
- the addition of a known tool by any known part, attached to it according to known rules to achieve a technical result, in respect of which the influence of such additions is established,
- replacement of any part of the product 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 to enhance the technical result due to the presence in the tool of just such elements;
- 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 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 signs is known or their relationship could be obtained on the basis of known dependencies, patterns.

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

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.3 и на фиг.4 приведена структурная схема короткозамкнутого прямоугольного волновода, у которого на одной из боковых стенок изготовлена продольная щель большой длины, параллельная оси волновода и снабженная согласующими скосами заявленного устройства. The invention is illustrated by drawings, where Fig. 3 and Fig. 4 show a structural diagram of a short-circuited rectangular waveguide, in which a longitudinal slit of large length is made on one of the side walls, parallel to the axis of the waveguide and equipped with matching bevels of the claimed device.

Устройство содержит СВЧ генератор, измерительное устройство для измерения комплексной относительной диэлектрической проницаемости

и короткозамкнутый прямоугольный волновод 1, у которого на одной из боковых стенок изготовлена продольная щель большой длины, параллельная оси волновода и снабженная согласующими скосами, эталонный короткозамыкатель и измеряемый материал.The device comprises a microwave generator, a measuring device for measuring the complex relative permittivity

and a short-circuited rectangular waveguide 1, in which a long slit is made on one of the side walls, parallel to the axis of the waveguide and provided with matching bevels, a reference short-circuit and the measured material.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Короткозамкнутый прямоугольный волновод 1 с измеряемым образцом 2 подключается к измерительной схеме и СВЧ генератору. От СВЧ генератора по короткозамкнутому прямоугольному волноводу подается зондирующая волна, которая движется по короткозамкнутому прямоугольному волноводу с продольной щелью, доходит до короткозамкнутого конца волновода 3, отражается и движется в обратном направлении. Сначала производится измерения комплексного коэффициента отражения зондирующей волны от волновода с эталонным короткозамыкателем, установленным на место щели, затем производятся измерения коэффициента отражения зондирующей волны, когда установлен измеряемый образец 2 (пластина) из измеряемого материала. Из полученных результатов комплексных коэффициентов отражения зондирующей волны от короткозамкнутого прямоугольного волновода 1 с измеряемым образцом 2 и с эталонным короткозамыкателем вычисляется значение комплексной диэлектрической проницаемости измеряемого материала. A short-circuited rectangular waveguide 1 with a measured sample 2 is connected to a measuring circuit and a microwave generator. A sounding wave is supplied from the microwave generator through a short-circuited rectangular waveguide, which moves along a short-circuited rectangular waveguide with a longitudinal slit, reaches the short-circuited end of the waveguide 3, is reflected and moves in the opposite direction. First, measurements are made of the complex reflection coefficient of the probe wave from the waveguide with a reference short circuit installed in place of the slit, then measurements of the reflection coefficient of the probe wave are made when the measured sample 2 (plate) from the measured material is installed. From the obtained results of the complex reflection coefficients of the probe wave from a short-circuited rectangular waveguide 1 with a measured sample 2 and with a reference short-circuit, the value of the complex permittivity of the measured material is calculated.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупностью условий:
- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в производстве новых поглощающих материалов для измерения их электрических характеристик;
- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.Thus, the above information indicates that when using the claimed device the following set of conditions:
- a tool embodying the claimed device in its implementation, is intended for use in industry, namely in the production of new absorbent materials for measuring their electrical characteristics;
- for the claimed device 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;
- a tool embodying the claimed invention in its implementation, is able to ensure the achievement of the perceived by the applicant technical result.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость". Therefore, the claimed invention meets the condition of "industrial applicability".

Claims

A device for measuring large values of the complex dielectric constant of strongly absorbing materials on microwave, characterized by large values of the complex relative dielectric constant, containing a microwave generator, a measuring device of the complex reflection coefficient, a rectangular waveguide, a reference short circuit and a sample of the measured material, while fed from the microwave generator a sounding wave that moves along a rectangular waveguide is reflected and moves in the opposite direction characterized in that the rectangular waveguide is made short-circuited at the end, and a longitudinal slit is made on its side wall parallel to the axis of the waveguide, equipped with matching bevels, which during measurement is closed by a standard short-circuit or a measured sample.