RU2234103C1

RU2234103C1 - Method for measurement of complex dielectric permittivity of low-impedance composite materials at microwave frequencies

Info

Publication number: RU2234103C1
Application number: RU2003113959/28A
Authority: RU
Inventors: Г.В. Дмитриенко (RU); Г.В. Дмитриенко
Original assignee: Ульяновский государственный технический университет
Priority date: 2003-05-12
Filing date: 2003-05-12
Publication date: 2004-08-10

Abstract

FIELD: measurement engineering.

SUBSTANCE: the method consists in the fact that in a rectangular waveguide that is short-circuited at the end, with a longitudinal slot on its side wall, which in the process of measurement is closed by a short-circuiting switch or by the specimen under measurement, before the process of measurement the air gap between the waveguide and the specimen under measurement or standard is filled in with solder.

EFFECT: enhanced accuracy of measuring information on the value of complex dielectric permittivity of low-impedance composite materials.

Description

Изобретение относится к области измерения электрических величин в СВЧ диапазоне для контроля электрических параметров комплексной диэлектрической проницаемости низкоимпеданcных композиционных материалов.The invention relates to the field of measuring electrical quantities in the microwave range for monitoring the electrical parameters of the complex dielectric constant of low impedance composite materials.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа способ для измерения комплексной диэлектрической проницаемости косвенным методом, включающий следующие операции: установка на волновод эталонного короткозамыкателя; калибровка установки, измерение комплексного коэффициента отражения от эталонного короткозамыкателя; установка на волновод измерительного образца; измерение комплексного коэффициента отражения от измерительного образца; вычисление комплексной диэлектрической проницаемости ε [см. Патент РФ №2199760, БИ №6, 2003 г.]. Измерения проводятся в два этапа: в начале к щели волновода подключается эталонный короткозамыкатель и производится калибровка установки, затем к щели волновода взамен эталонного короткозамыкателя подключается исследуемый плоский образец диэлектрика. От СВЧ-генератора по волноводу 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 способу прототипа [см. Патент РФ №2199760, БИ №6, 2003 г.].The closest in technical essence to the claimed invention is a method selected for prototype measurement of complex dielectric constant as an prototype by the indirect method, which includes the following operations: installation of a standard short circuit on the waveguide; calibration of the installation, measurement of the complex reflection coefficient from the standard short circuit; installation of a measuring sample on the waveguide; measurement of the complex reflection coefficient from the measuring sample; calculation of the complex permittivity ε [see RF patent No. 2199760, BI No. 6, 2003]. The measurements are carried out in two stages: at the beginning, the reference short circuit is connected to the waveguide gap and the installation is calibrated, then the investigated flat dielectric sample is connected to the waveguide gap instead of the reference short circuit. A sounding electromagnetic wave is supplied from the microwave generator through the waveguide. Information about 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. The results are processed according to the prototype method [see RF patent No. 2199760, BI No. 6, 2003].

Недостатком описанного прототипа являются погрешности измерения ε и tgδ, вызванные воздушным зазором в местах соприкосновения волновода с измеряемым образцом или короткозамыкателем. Через воздушный зазор происходит отток зондирующей мощности в свободное пространство, что приводит к снижению измеряемого значения модуля коэффициента отражения и приводит к погрешности определения ε.The disadvantage of the described prototype is the measurement error ε and tanδ caused by the air gap at the points of contact of the waveguide with the measured sample or short circuit. Through the air gap, the probe power flows out into free space, which leads to a decrease in the measured value of the reflection coefficient modulus and leads to an error in determining ε.

Сущность изобретения заключается в следующем: в повышении точности измерения комплексной диэлектрической проницаемости ε низкоимпедансных композиционных материалов.The invention consists in the following: to increase the accuracy of measuring the complex permittivity ε of low impedance composite materials.

Технический результат - получения более точной измерительной информации о значении комплексной диэлектрической проницаемости низкоимпедансных композиционных материалов.EFFECT: obtaining more accurate measuring information on the value of the complex dielectric constant of low-impedance composite materials.

Указанный технический результат достигается тем, что способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости низкоимпедансных композиционных материалов на СВЧ, включающий установку на волновод эталонного короткозамыкателя; калибровку установки, измерение комплексного коэффициента отражения от эталонного короткозамыкателя; установку на волновод измерительного образца; измерение комплексного коэффициента отражения от измерительного образца; вычисление комплексной диэлектрической проницаемости. Особенность заключается в том, что перед процессом калибровки производят заливку припоем воздушного зазора в местах соприкосновения волновода с эталонным короткозамыкателем, устанавливают измерительный образец и перед процессом измерения производят заливку припоем воздушного зазора в местах соприкосновения волновода с измеряемым образцом. Методика измерения и вычисления ε производится как в прототипе.The specified technical result is achieved by the fact that the method of measuring the complex permittivity of low-impedance composite materials on a microwave, including the installation of a standard short circuit on the waveguide; calibration of the installation, measurement of the complex reflection coefficient from the standard short circuit; installation of a measuring sample on the waveguide; measurement of the complex reflection coefficient from the measuring sample; calculation of complex permittivity. The peculiarity lies in the fact that before the calibration process, fill in the air gap solder in the places where the waveguide is in contact with the standard short circuit, install a measuring sample and before the measurement process fill in the air gap in the places where the waveguide comes in contact with the measured sample. The method of measuring and calculating ε is performed as in the prototype.

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 essential distinguishing 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: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 a specialist, the influence 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:

- дополнение известного средства каким-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;- addition of a known product by any known part, attached to it according to known rules to achieve a technical result, in respect of which the effect of such additions is established;

- замена какой-либо части средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата;- 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;

- увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов;- 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;

- выполнение известного средства или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала;- 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;

- 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.- 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 известный 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 a known fact of the influence of each of these signs 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".

Способ осуществляется следующим образом. На короткозамкнутый прямоугольный волновод устанавливают эталонный короткозамыкатель, воздушный зазор между волноводом и эталонным короткозамыкателем заливают припоем, затем включают в измерительную схему. От СВЧ-генератора по короткозамкнутому прямоугольному волноводу подают зондирующую волну, которая движется по короткозамкнутому прямоугольному волноводу с продольной щелью доходит до короткозамкнутого конца волновода, отражается и движется в обратном направлении. Сначала производят измерения комплексного коэффициента отражения зондирующей волны от волновода с эталонным короткозамыкателем, установленным на место щели. Затем на прямоугольный волновод устанавливают измеряемый образец, воздушный зазор между волноводом и измеряемым образцом заливают припоем, производят измерения коэффициента отражения зондирующей волны от измеряемого образца. Из полученных результатов комплексных коэффициентов отражения зондирующей волны от короткозамкнутого прямоугольного волновода с измеряемым образцом и с эталонным короткозамыкателем вычисляют значение комплексной диэлектрической проницаемости измеряемого материала.The method is as follows. A reference short circuit is installed on a short-circuited rectangular waveguide, the air gap between the waveguide and the reference short circuit is filled with solder, then included in the measuring circuit. 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, 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 standard short-circuiting device installed in place of the gap. Then, the measured sample is installed on the rectangular waveguide, the air gap between the waveguide and the measured sample is filled with solder, and the reflection coefficient of the probe wave from the measured sample is measured. From the obtained results of the complex reflection coefficients of the probe wave from a short-circuited rectangular waveguide with a measured sample and with a standard 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:Thus, the above information indicates the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed device:

- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в производстве новых поглощающих материалов для измерения их электрических характеристик;- 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;

- 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;- 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;

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.- a tool embodying the claimed invention in its implementation, is able to ensure the achievement of 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 method for measuring the complex permittivity of low-impedance composite materials on a microwave, including installing a standard short circuit on the waveguide, calibrating the installation, measuring the complex reflection coefficient from the standard short circuit, installing the measuring sample on the waveguide, measuring the complex reflection coefficient from the measuring sample, calculating the complex dielectric constant that before the calibration process, fill with air solder a gap at the points of contact of the waveguide with the standard short-circuit, install a measuring sample and fill the air gap with solder in contact of the waveguide with the measured sample before the measurement process.