RU2548064C1 - Method to measure dielectric permeability of materials and device for its realisation - Google Patents

Method to measure dielectric permeability of materials and device for its realisation Download PDF

Info

Publication number
RU2548064C1
RU2548064C1 RU2014102543/28A RU2014102543A RU2548064C1 RU 2548064 C1 RU2548064 C1 RU 2548064C1 RU 2014102543/28 A RU2014102543/28 A RU 2014102543/28A RU 2014102543 A RU2014102543 A RU 2014102543A RU 2548064 C1 RU2548064 C1 RU 2548064C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
line
section
transmission line
measuring
dielectric constant
Prior art date
Application number
RU2014102543/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Михайлович Никулин
Владимир Павлович Хилов
Илья Николаевич Малышев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева", НГТУ
Закрытое акционерное общество "Нижегородский инновационный центр радиоизмерительной аппаратуры" (ЗАО "НИЦ РИА")
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 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева", НГТУ, Закрытое акционерное общество "Нижегородский инновационный центр радиоизмерительной аппаратуры" (ЗАО "НИЦ РИА") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева", НГТУ
Priority to RU2014102543/28A priority Critical patent/RU2548064C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2548064C1 publication Critical patent/RU2548064C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: measurement equipment.
SUBSTANCE: method is based on measurement of complex ratio of reflection of electromagnetic waves from a section of a transmission line, at the end of which they install calibration measures, and a tested material sample, with subsequent processing of materials. At the section of the transmission line with wave resistance Zw in parallel to it they connect a resistive element with resistance R=(0.1-0.2)Zw, using results of calibration measurements they determine parameters of scattering of a circuit that connects plane of measurement of reflection ratio with plane of connection of the tested section of the line with the tested sample. By processing of data array they find dielectric permeability and tangent of angle of losses of the tested material. The device is proposed for method realisation.
EFFECT: increased accuracy of determination of dielectric permeability in wide range of frequencies.
5 cl, 5 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области измерения характеристик материалов и может быть использовано для определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь изоляционных, композитных и других материалов.The invention relates to the field of measuring the characteristics of materials and can be used to determine the dielectric constant and the tangent of the dielectric loss angle of insulating, composite and other materials.

Известен способ определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь материалов, основанный на измерении модулей и фаз коэффициентов отражения и передачи электромагнитных волн, отраженной и прошедшей через образец, помещенный в волновод или коаксиальную линию. Фазы коэффициентов содержат информацию о диэлектрической проницаемости, а модули - о тангенсе угла диэлектрических потерь [см. Брант А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз, 1963. - Стр.192].A known method for determining the dielectric constant and the tangent of the dielectric loss angle of materials based on measuring the modules and phases of the reflection and transmission coefficients of electromagnetic waves reflected and transmitted through a sample placed in a waveguide or coaxial line. The phases of the coefficients contain information on the dielectric constant, and the modules on the tangent of the dielectric loss angle [see Brant A.A. The study of dielectrics at microwave frequencies. - M .: Fizmatgiz, 1963. - Page 189].

Недостатком данного способа является низкая точность определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь измерения из-за сравнительно малой чувствительности фазы коэффициентов отражения и передачи к величине диэлектрической проницаемости, а их модулей к тангенсу потерь.The disadvantage of this method is the low accuracy of determining the dielectric constant and the dielectric loss tangent due to the relatively low phase sensitivity of the reflection and transmission coefficients to the dielectric constant, and their modules to the loss tangent.

Известен способ определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь материалов, основанный на измерении резонансной частоты и добротности резонатора с помещенным в него образцом материала заданной формы. Информация о диэлектрической проницаемости содержится в резонансной частоте, а о тангенсе угла диэлектрических потерь - в добротности резонатора [см. Брант А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз, 1963. - Стр.120].A known method of determining the dielectric constant and the tangent of the dielectric loss angle of materials based on measuring the resonant frequency and quality factor of the resonator with a sample of material of a given shape placed in it. Information on the dielectric constant is contained in the resonant frequency, and on the dielectric loss tangent is in the Q factor of the resonator [see Brant A.A. The study of dielectrics at microwave frequencies. - M .: Fizmatgiz, 1963. - Page 120].

Способ обладает высокой точностью измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, однако позволяет получать информацию только на одной частоте в пределах поддиапозонов: 4-7…15-20, определяемой геометрией и диэлектрической проницаемостью образцов. Проводить измерения в низкочастотной части СВЧ-диапазона не представляется возможным из-за ограниченных размеров стандартных образцов пластин изоляционных материалов, широко применяемых в интегральных схемах и в производстве электронных компонентов.The method has high accuracy in measuring the dielectric constant and the dielectric loss tangent, however, it allows to obtain information only at one frequency within the sub-ranges: 4-7 ... 15-20, determined by the geometry and dielectric constant of the samples. It is not possible to carry out measurements in the low-frequency part of the microwave range because of the limited size of standard samples of plates of insulating materials, which are widely used in integrated circuits and in the production of electronic components.

В качестве прототипа принят способ измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь материалов и устройство для его осуществления, который по своей сути близок к предлагаемому (см. публикацию «Основы измерения диэлектрических свойств материалов. Заметки по применению» компании Agilent Technologies, стр.20-22). Способ заключается в проведении процедуры калибровки векторного анализатора цепей путем подключения калибровочных мер и в измерении комплексного коэффициента отражения и передачи электромагнитных волн отрезка линии передачи заданной длины, в который устанавливают испытуемый образец определенной длины, с последующей обработкой результатов. Устройство для реализации способа содержит отрезок линии передачи с возможностью установки в него испытуемого образца, измерительное устройство и калибровочные меры. Способ и устройство обеспечивают работу с волноводной секцией длиной 140 мм в диапазоне частот от 8,2 до 12,4 ГГц с образцами из плексигласа (как пример) длиной 25 и 31 мм, погрешность измерений ±0,1 или (3-5%).As a prototype, a method for measuring the dielectric constant and tangent of the loss angle of materials and a device for its implementation, which is essentially close to the proposed one (see the publication "Fundamentals of measuring the dielectric properties of materials. Application notes" by Agilent Technologies, pp. 20-22 ) The method consists in performing the calibration procedure of a vector network analyzer by connecting calibration measures and in measuring the complex reflection coefficient and transmission of electromagnetic waves of a segment of a transmission line of a given length into which a test sample of a certain length is installed, with subsequent processing of the results. A device for implementing the method comprises a transmission line segment with the possibility of installing a test sample in it, a measuring device and calibration measures. The method and device provide operation with a waveguide section 140 mm long in the frequency range from 8.2 to 12.4 GHz with Plexiglass samples (as an example) 25 and 31 mm long, measurement error ± 0.1 or (3-5%) .

Однако точность измерений и диапазон частот могут быть еще выше, а используемое оборудование существенно дешевле при совершенствовании способа и устройства для его реализации.However, the accuracy of measurements and the frequency range can be even higher, and the equipment used is significantly cheaper when improving the method and device for its implementation.

Предлагаемым изобретением решается задача расширения технологических возможностей способа и устройства для его осуществления.The present invention solves the problem of expanding the technological capabilities of the method and device for its implementation.

Технический результат заявляемого изобретения - повышение точности определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь испытуемых материалов в широком диапазоне частот при уменьшении стоимости используемого оборудования.The technical result of the claimed invention is improving the accuracy of determining the dielectric constant and the loss tangent of the tested materials in a wide frequency range while reducing the cost of the equipment used.

Этот технический результат достигается тем, что в способе измерения диэлектрической проницаемости материалов, заключающемся в измерении комплексного коэффициента отражения электромагнитных волн от отрезка линии передачи, на конце которого устанавливают калибровочные меры и участок линии с испытуемым образцом, с последующей обработкой результатов, на входе отрезка линии передачи с волновым сопротивлением Zв параллельно ему подключают резистивный элемент с сопротивлением R=(0,1-0,2)Zв, по результатам калибровочных измерений определяют волновые параметры рассеяния цепи, соединяющей плоскость измерения комплексного коэффициента отражения с плоскостью подключения участка линии с испытуемым образцом, при этом диэлектрическую проницаемость и тангенс угла потерь испытуемого материала определяют путем обработки массива данных для модуля коэффициента отражения, имеющего вид гребенчатой функции частоты электромагнитных волн и его аналитического выражения через волновые параметры рассеяния и комплексный коэффициент отражения от участка линии с испытуемым образцом, причем длину отрезка линии передачи выбирают больше половины длины волны на нижней частоте диапазона, в котором выполняют измерения;This technical result is achieved by the fact that in the method of measuring the dielectric constant of materials, which consists in measuring the complex reflection coefficient of electromagnetic waves from a section of a transmission line, at the end of which calibration measures and a section of a line with a test sample are established, with subsequent processing of the results, at the input of a section of a transmission line with wave impedance Zв parallel to it, connect a resistive element with resistance R = (0.1-0.2) Zв, according to the results of calibration measurements, determine the new scattering parameters of the circuit connecting the plane of measurement of the complex reflection coefficient with the plane of connection of the line section with the test sample, while the dielectric constant and the loss tangent of the test material are determined by processing the data array for the reflection coefficient module having the form of a comb function of the frequency of electromagnetic waves and its analytical expressions through the wave parameters of scattering and the complex reflection coefficient from the portion of the line with the test sample, m length of the transmission line segment is selected more than half of the wavelength at the lower frequency range in which measurement is performed;

в устройстве для измерения диэлектрической проницаемости материалов, содержащем отрезок линии передачи с возможностью установки на его конце участка линии с испытуемым образцом и калибровочных мер, на входе отрезка линии передачи параллельно ему подключен резистивный элемент, к которому через переход или разъем подключено измерительное устройство;in a device for measuring the dielectric constant of materials containing a segment of a transmission line with the possibility of installing at its end a portion of a line with a test sample and calibration measures, a resistive element is connected at the input of a segment of a transmission line to which a measuring device is connected through a junction or connector;

при выполнении отрезка линии передачи в виде волновода в качестве резистивного элемента использована резистивная пленка или емкостная диафрагма с резистором, установленная между фланцами коаксиально-волноводного перехода и волновода;when performing a segment of the transmission line in the form of a waveguide, a resistive film or a capacitive diaphragm with a resistor installed between the flanges of the coaxial waveguide transition and the waveguide is used as a resistive element;

при выполнении отрезка линии передачи в виде коаксиальной или полосковой линии в качестве резистивного элемента использован резистор, установленный между центральным или полосковым проводником и экраном, подключенный через разъем или коаксиально-полосковый переход к измерительному устройству;when performing a segment of a transmission line in the form of a coaxial or strip line, a resistor is used as a resistive element, installed between the center or strip conductor and the screen, connected through a connector or a coaxial-strip transition to the measuring device;

в качестве измерительного устройства использован векторный рефлектометр.A vector reflectometer was used as a measuring device.

Подключение резистивного элемента к отрезку линии передачи длиной более половины длины волны на нижней частоте диапазона позволяет осуществить способ измерения диэлектрической проницаемости ε, сочетающий высокую точность с широким диапазоном частот. Подобно резонансному методу, высокая точность определения ε обеспечивается за счет точного измерения частот, соответствующих вершинам «зубьев» гребенчатой функции. Острота «зубьев» и их количество в выбранном широком диапазоне частот определяются длиной отрезка линии и участка линии с испытуемым образцом, а также отношением волнового сопротивления Zв к сопротивлению R резистора, включенного в линию передачи.Connecting a resistive element to a segment of a transmission line with a length of more than half the wavelength at the lower frequency of the range allows a method for measuring the permittivity ε, combining high accuracy with a wide frequency range. Like the resonance method, high accuracy in determining ε is ensured by accurately measuring the frequencies corresponding to the vertices of the “teeth” of the comb function. The sharpness of the “teeth” and their number in a selected wide frequency range are determined by the length of the line segment and the line section with the test sample, as well as the ratio of the wave impedance Z to the resistance R of the resistor included in the transmission line.

Определяют волновые параметры рассеяния цепи, соединяющей плоскость измерения комплексного коэффициента отражения с плоскостью подключения участка линии с испытуемым образцом, чтобы получить аналитическое выражение для модуля коэффициента отражения, имеющего вид гребенчатой функции.The scattering wave parameters of the circuit connecting the measurement plane of the complex reflection coefficient with the plane of connection of the line section with the test sample are determined to obtain an analytical expression for the reflection coefficient module having the form of a comb function.

Длину отрезка линии передачи выбирают больше половины длины волны на нижней частоте диапазона, в котором выполняют измерения, т.к. иначе модуль коэффициента отражения будет содержать малое количество «зубьев» гребенчатой функции и погрешность определения диэлектрической проницаемости возрастет.The length of the length of the transmission line is chosen to be more than half the wavelength at the lower frequency of the range in which measurements are performed, because otherwise, the reflection coefficient module will contain a small number of “teeth” of the comb function and the error in determining the dielectric constant will increase.

Способ реализуется с помощью устройства, блок-схема которого приведена на фиг.1, на фиг.2 приведен график модуля комплексного коэффициента отражения, на фиг.3 - 3D модель устройства, использованного в примере реализации способа, на фиг.4 - установка чип-резистора в коаксиальную линию в примере реализации способа, на фиг.5 - графическая иллюстрация определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь на частоте 9,9959 ГГц в примере реализации способа.The method is implemented using the device, the block diagram of which is shown in figure 1, figure 2 shows a graph of the complex reflection coefficient module, figure 3 - 3D model of the device used in the example implementation of the method, figure 4 - installation of the chip a resistor in a coaxial line in an example implementation of the method, FIG. 5 is a graphical illustration of the determination of dielectric constant and loss tangent at a frequency of 9.9959 GHz in an example implementation of the method.

Устройство для измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь материалов содержит отрезок 1 линии передачи с возможностью установки на его конце участка линии с испытуемым образцом 2 и калибровочных мер 3, измерительное устройство 4. На другом конце отрезка 1 линии передачи параллельно ему подключен резистивный элемент 5, к которому через переход или разъем 6 подключено измерительное устройство 4.A device for measuring the dielectric constant and the tangent of the loss of material contains a segment 1 of the transmission line with the possibility of installing at its end a section of the line with the test sample 2 and calibration measures 3, a measuring device 4. At the other end of the segment 1 of the transmission line, a resistive element 5 is connected in parallel with it to which a measuring device 4 is connected through a junction or connector 6.

При выполнении отрезка 1 линии передачи в виде волновода в качестве резистивного элемента 5 может быть использована резистивная пленка или емкостная диафрагма с резистором, установленная между фланцами коаксиально-волноводного перехода 6 и волновода.When performing section 1 of the transmission line in the form of a waveguide, a resistive film or a capacitive diaphragm with a resistor mounted between the flanges of the coaxial waveguide transition 6 and the waveguide can be used as the resistive element 5.

При выполнении отрезка 1 линии передачи в виде коаксиальной или полосковой линии в качестве резистивного элемента 5 использован резистор с сопротивлением R=(0,1-0,2)Zв, где Zв - волновое сопротивление линии передачи, установленный между центральным или полосковым проводником и экраном, подключенный через разъем или коаксиально-полосковый переход к измерительному устройству.When performing section 1 of the transmission line in the form of a coaxial or strip line, a resistor with a resistance R = (0.1-0.2) Zv, where Zv is the wave resistance of the transmission line installed between the center or strip conductor and the screen, is used as a resistive element 5 connected via a connector or coaxial-stripe transition to the measuring device.

В качестве измерительного устройства 4 целесообразно использовать векторный рефлектометр CABAN R54 или CABAN R140, которые существенно дешевле, чем обычно используемый векторный анализатор цепей.As a measuring device 4, it is advisable to use a CABAN R54 or CABAN R140 vector reflectometer, which are significantly cheaper than the commonly used vector network analyzer.

Способ реализуется следующим образом. К отрезку 1 линии передачи с резистивным элементом 5 через переход 6 подключают измерительное устройство 4 (векторный рефлектометр). На другом конце отрезка 1 линии передачи устанавливают и калибровочные меры 3, а затем участок линии с испытуемым образцом 2.The method is implemented as follows. To the segment 1 of the transmission line with the resistive element 5 through the transition 6 connect the measuring device 4 (vector reflectometer). At the other end of the segment 1 of the transmission line, calibration measures 3 are also installed, and then a section of the line with the test sample 2.

Сущность предлагаемого способа измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь материалов на СВЧ заключается в измерении в стандартном 50 Ом коаксиальном канале в широком диапазоне частот комплексного коэффициента отражения электромагнитных волн от параллельного соединения резистивного элемента R с отрезком линии передачи, на конце которой устанавливают три и более калибровочных мер 3 с известными коэффициентами отражения, а затем участок линии с испытуемым образцом. По результатам калибровочных измерений волновых параметров рассеяния (S-параметров) цепи, соединяющей плоскость измерения коэффициентов отражения с плоскостью подключения участка линии с испытуемым образцом, находят значения диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла потерь tgδ испытуемого материала на отдельных точках частотного диапазона с помощью волновых параметров рассеяния (S-параметров) и специальной обработки массива данных для модуля коэффициента отражения, имеющего вид гребенчатой функции частоты, при этом длину L отрезка 1 линии передачи выбирают больше половины длины волн на нижней частоте диапазона, а сопротивление резистора величиной R=(0,1-0,2)Zв (Zв - волновое сопротивление отрезка 1 линии передачи), к отрезку 1 линии передачи подключают стандартный набор калибровочных мер 3: коаксиальных (короткое замыкание, холостой ход, согласованная нагрузка или четыре короткозамкнутые линии разной длины), волноводных (короткое замыкание, четвертьволновой отрезок, согласованная нагрузка или четыре короткозамкнутые волноводные секции разной длины), а в случае полосковой линии - три и более образцов с заданными геометрическими размерами, диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла потерь. По результатам измерения векторным рефлектометром комплексных коэффициентов отражения Гi в плоскости измерений определяют на всех частотах fk диапазона волновые параметры рассеяния (S-параметры) цепи, соединяющей стандартный 50-омный канал с участком линии с испытуемым образцом 2 из системы уравнений:The essence of the proposed method for measuring the dielectric constant and the tangent of the angle of loss of materials on the microwave is to measure in a standard 50 Ohm coaxial channel in a wide frequency range of the complex reflection coefficient of electromagnetic waves from the parallel connection of the resistive element R with a segment of the transmission line, at the end of which three or more calibration measures 3 with known reflection coefficients, and then a portion of the line with the test sample. From the results of calibration measurements of the scattering wave parameters (S-parameters) of the circuit connecting the reflection coefficient measurement plane with the plane connecting the line section with the test sample, the dielectric constant ε and the loss tangent tgδ of the test material are found at individual points in the frequency range using scattering wave parameters (S-parameters) and special processing of the data array for the reflection coefficient module having the form of a comb frequency function, with the length L For transmission line 1, choose more than half the wavelength at the lower frequency of the range, and the resistance of the resistor of R = (0.1-0.2) ZB (ZB is the wave resistance of segment 1 of the transmission line), a standard set of calibration gauges is connected to segment 1 of the transmission line measures 3: coaxial (short circuit, idle, matched load or four short-circuited lines of different lengths), waveguide (short circuit, quarter-wave length, matched load or four short-circuited waveguide sections of different lengths), and in the case of a strip new line - three or more samples with specified geometric dimensions, dielectric constant and loss tangent. Using the vector reflectometer, the complex reflection coefficients Г i in the measurement plane are used to determine the scattering wave parameters (S-parameters) of the circuit connecting the standard 50-ohm channel with the line section with the test sample 2 from the system of equations at all frequencies f k range:

Г i ( f k ) = S 11 ( f k ) + S 12 S 21 ( f k ) G i ( f k ) 1 S 22 ( f k ) G i ( f k )

Figure 00000001
, i = 1, I ¯
Figure 00000002
, k = 1, K ¯
Figure 00000003
G i ( f k ) = S eleven ( f k ) + S 12 S 21 ( f k ) G i ( f k ) one - S 22 ( f k ) G i ( f k )
Figure 00000001
, i = one, I ¯
Figure 00000002
, k = one, K ¯
Figure 00000003

здесь S12S21(fk) - произведение прямого и обратного коэффициентов передачи, а S11(fk) и S22(fk) - соответственно входной и выходной коэффициенты отражения цепи, Gi(fk) - комплексные коэффициенты отражения от калибровочных мер 3. Затем подключают участок линии с испытуемым образцом 2 материала с известными геометрическими размерами и измеряют рефлектометром комплексный коэффициент отражения Г.here S 12 S 21 (f k ) is the product of the direct and inverse transmission coefficients, and S 11 (f k ) and S 22 (f k ) are the input and output reflection coefficients of the circuit, G i (f k ) are complex reflection coefficients from calibration measures 3. Then connect a portion of the line with the test sample 2 of material with known geometric dimensions and measure the reflectance of the complex reflection coefficient G.

Диэлектрическую проницаемость и тангенс угла потерь испытуемого материала определяют с помощью специальной обработки массива данных для модуля коэффициента отражения Г, имеющего вид гребенчатой функции частоты (фиг.2) и его аналитического представления, выраженного через S-параметры и комплексный коэффициент отражения G(fk) от участка линии с образцом:The dielectric constant and the loss tangent of the test material is determined using special processing of the data array for the reflection coefficient module G, having the form of a comb frequency function (Fig. 2) and its analytical representation, expressed through S-parameters and the complex reflection coefficient G (f k ) from the line section with the sample:

| Г ( f k , ε , t g δ ) | = | S 11 ( f k ) + S 12 S 21 ( f k ) | G | ( f k , t g δ ) exp [ arg G ( f k , ε ) ] 1 S 22 ( f k ) | G | ( f k , t g δ ) exp [ arg G ( f k , ε ) ] |    (1)

Figure 00000004
| G ( f k , ε , t g δ ) | = | S eleven ( f k ) + S 12 S 21 ( f k ) | G | ( f k , t g δ ) exp [ arg G ( f k , ε ) ] one - S 22 ( f k ) | G | ( f k , t g δ ) exp [ arg G ( f k , ε ) ] | (one)
Figure 00000004

Основание «гребенки» определяется модулем коэффициента отражения S11(fk) цепи, соединяющей векторный рефлектометр с участком линии и образцом (плавная линии на фиг.2). Положение «зубьев» «гребенки» определяется электрической длиной отрезка линии передачи и участка линии с испытуемым образцом, следовательно, диэлектрической проницаемостью и геометрическими размерами образца, а острота «зубьев» - как длиной, так и волновым сопротивлением линии передачи. Высота зубьев определяется модулем коэффициента отражения от участка линии передачи, который, в свою очередь, определяется тангенсом угла потерь образца испытуемого материала.The base of the "comb" is determined by the reflection coefficient module S 11 (f k ) of the circuit connecting the vector reflectometer with a section of the line and a sample (smooth line in figure 2). The position of the “teeth” of the “comb” is determined by the electric length of the length of the transmission line and the portion of the line with the test sample, therefore, the dielectric constant and geometrical dimensions of the sample, and the sharpness of the “teeth” - both the length and the wave resistance of the transmission line. The height of the teeth is determined by the modulus of the reflection coefficient from the portion of the transmission line, which, in turn, is determined by the loss tangent of the sample of the test material.

Существенно, что значения диэлектрической проницаемости εk и тангенса угла потерь tgδk материала в широком диапазоне частот определяют по координатам [fk, Гk] вершин гребенчатой функции модуля коэффициента отражения.It is essential that the values of the dielectric constant ε k and the tangent of the loss angle tanδ k of the material in a wide frequency range are determined by the coordinates [f k , G k ] of the vertices of the comb function of the reflection coefficient modulus.

Ниже приведен пример осуществления способа. На фиг.3 показана 3D модель устройства. В качестве калибровочных мер использован подвижный короткозамыкатель. При калибровке перемещение короткозамыкателя осуществляется с помощью микрометрического винта. При измерении образцов (изоляционных пластин из окиси алюминия - поликора размерами 60×48×1 мм) короткозамыкатель находится в крайнем положении. Пример установки чип-резистора в коаксиальную линию передачи показан на фиг.4. Участок линии с испытуемым образцом вставляется в зазор между крышкой устройства и основанием вплотную к короткозамыкателю.The following is an example implementation of the method. Figure 3 shows a 3D model of the device. As calibration measures, a moving short circuit is used. During calibration, the movement of the short circuit is carried out using a micrometer screw. When measuring samples (insulating plates of aluminum oxide - polycor 60 × 48 × 1 mm in size), the short circuit is in the extreme position. An example of installing a chip resistor in a coaxial transmission line is shown in FIG. 4. A section of the line with the test sample is inserted into the gap between the device cover and the base close to the short circuit.

Для оценки погрешности измерений предлагаемым способом использовалась модель устройства на основе прямоугольного волновода 23×10 мм, как и в прототипе, коаксиально-волноводный переход, емкостная диафрагма с резистором и отрезком волновода длиной 200 мм. Половина длины волны на нижней частоте (8 ГГц) диапазона составляла 112 мм. Емкостная диафрагма моделировалась с емкостью 0,16 пФ, а резистор-сопротивлением R=58,4 Ом, отношение R/Zв=0,13 находилось в пределах 0,1-0,2. В качестве участка линии с испытуемым образцом длиной 31 мм (как в прототипе) использовалась модель волновода длиной 100 мм с воздушным диэлектриком и модель длиной 31 мм с диэлектриком с - образцом.To assess the measurement error by the proposed method, a device model based on a 23 × 10 mm rectangular waveguide was used, as in the prototype, a coaxial waveguide transition, a capacitive diaphragm with a resistor and a 200 mm length of the waveguide. Half the wavelength at the lower frequency (8 GHz) of the range was 112 mm. The capacitive diaphragm was modeled with a capacitance of 0.16 pF, and the resistor resistance was R = 58.4 Ohms, the ratio R / Zв = 0.13 was in the range 0.1-0.2. As a section of the line with the test sample 31 mm long (as in the prototype), a 100 mm long waveguide model with an air dielectric and a 31 mm long model with a dielectric with a sample were used.

Калибровка устройства выполнялась с помощью моделей четырех короткозамкнутых волноводных секций длиной 30, 18,5 11,43 и 7,05 мм.The device was calibrated using models of four short-circuited waveguide sections 30, 18.5, 11.43 and 7.05 mm long.

При подключении модели каждой короткозамкнутой волноводной секции к модели перехода с отрезком волновода и резистором определялась величина комплексного коэффициента отражения Гi в плоскости измерений.When connecting the model of each short-circuited waveguide section to the transition model with a waveguide segment and a resistor, the value of the complex reflection coefficient Гi in the measurement plane was determined.

S-параметры цепи, соединяющей плоскость измерения коэффициента отражения в стандартном 50-омном коаксиальном тракте с плоскостью подключения участка линии (волноводной секции) с испытуемым образцом, определялись из системы уравнений (1). Чтобы оценить погрешность предлагаемого способа длины короткозамыкателей в программе определения S-параметров задавались с погрешностью 0,1 мм.The S-parameters of the circuit connecting the plane of measurement of the reflection coefficient in a standard 50-ohm coaxial path to the plane of connection of the line section (waveguide section) with the test sample were determined from the system of equations (1). To evaluate the error of the proposed method, the short circuit lengths in the S-parameter determination program were set with an error of 0.1 mm.

Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь определялись обработкой массива данных для модуля коэффициента отражения от модели устройства, имеющего вид гребенчатой функции частоты электромагнитных волн и аналитического выражения через волновые параметры рассеяния и комплексный коэффициент отражения от участка линии с испытуемым образцом.The dielectric constant and the loss tangent were determined by processing the data array for the reflection coefficient module from the device model, which has the form of a comb function of the frequency of electromagnetic waves and analytical expression through the scattering wave parameters and the complex reflection coefficient from the portion of the line with the test sample.

Иллюстрация определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь на частоте 9,9959 ГГц показана на графике фиг.5 и в таблице. Вторая и четвертая колонки таблицы соответствуют истинным значениям, третья и пятая - результатам измерений. В примере смоделирован предлагаемый способ. Диэлектрическая проницаемость образца - линейная функция частоты. Поэтому вторая колонка это модель истинного значения диэлектрической проницаемости на частотах, соответствующих зубьям гребенчатой функции. Тангенс угла потерь для простоты во всем диапазоне частот полагался постоянной величиной 0,005 - четвертая колонка. 3 и 5 колонки это результат обработки, состоящий в определении диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь на вершине зубьев с помощью аналитического выражения гребенчатой функции.An illustration of the determination of dielectric constant and loss tangent at a frequency of 9.9959 GHz is shown in the graph of FIG. 5 and in the table. The second and fourth columns of the table correspond to the true values, the third and fifth - to the measurement results. In the example, the proposed method is simulated. The dielectric constant of a sample is a linear function of frequency. Therefore, the second column is a model of the true value of the dielectric constant at frequencies corresponding to the teeth of the comb function. For simplicity, the loss tangent over the entire frequency range was assumed to be a constant value of 0.005 — the fourth column. Columns 3 and 5 are the result of processing, which consists in determining the dielectric constant and the loss tangent at the top of the teeth using the analytical expression of the comb function.

Как следует из таблицы, максимальная погрешность определения диэлектрической проницаемости составила величину ±0,011, среднеквадратическая погрешность σ=0,0074 (0,32%).As follows from the table, the maximum error in determining the dielectric constant was ± 0.011, and the standard error was σ = 0.0074 (0.32%).

Полученная оценка погрешности укладывается в нормативы согласно ГОСТ P 8.623-2006. Относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь твердых диэлектриков. Методики выполнения измерений в диапазоне сверхвысоких частот.The resulting error estimate fits into the standards in accordance with GOST P 8.623-2006. Relative permittivity and dielectric loss tangent of solid dielectrics. Measurement procedures in the microwave range.

Анализ аналогов показывает, что предлагаемое решение соответствует критерию «новизна», совокупность существенных признаков, обеспечивающая положительный результат, указывает на соответствие критерию «изобретательский уровень», а лабораторные испытания подтверждают промышленную применимость.Analysis of analogues shows that the proposed solution meets the criterion of "novelty", the set of essential features that provide a positive result, indicates compliance with the criterion of "inventive step", and laboratory tests confirm industrial applicability.

ТаблицаTable Частота, ГГцFrequency, GHz ε обрε arr ε измε meas tgδ обрtgδ arr tgδ измtgδ meas 8.2038.203 2.3892.389 2.3942.394 0.0050.005 0.00530.0053 8.4828.482 2.3742.374 2.3722.372 0.0050.005 0.00490.0049 8.768.76 2.362.36 2.3622.362 0.0050.005 0.00490.0049 9.0379.037 2.3452.345 2.3422.342 0.0050.005 0.00480.0048 9.3339.333 2.3292.329 2.3272.327 0.0050.005 0.00520.0052 9.6549.654 2.3122.312 2.322.32 0.0050.005 0.0050.005 9.9969.996 2.2942.294 2.2852.285 0.0050.005 0.00480.0048 10.35310.353 2.2752.275 2.282.28 0.0050.005 0.00520.0052 10.71810.718 2.2562.256 2.272.27 0.0050.005 0.00480.0048 11.09111.091 2.2362.236 2.2252.225 0.0050.005 0.0050.005 11.46211.462 2.2172.217 2.2252.225 0.0050.005 0.00520.0052 11.82611.826 2.1972.197 2.2052.205 0.0050.005 0.00460.0046

Claims (5)

1. Способ измерения диэлектрической проницаемости материалов, заключающийся в измерении комплексного коэффициента отражения электромагнитных волн от отрезка линии передачи, на конце которого устанавливают калибровочные меры и участок линии с испытуемым образцом, с последующей обработкой результатов, отличающийся тем, что на входе отрезка линии передачи с волновым сопротивлением Zв параллельно ему подключают резистивный элемент с сопротивлением R=(0,1-0,2)Zв, по результатам калибровочных измерений определяют волновые параметры рассеяния цепи, соединяющей плоскость измерения комплексного коэффициента отражения с плоскостью подключения участка линии с испытуемым образцом, при этом диэлектрическую проницаемость и тангенс угла потерь испытуемого материала определяют путем обработки массива данных для модуля коэффициента отражения, имеющего вид гребенчатой функции частоты электромагнитных волн и его аналитического выражения через волновые параметры рассеяния и комплексный коэффициент отражения от участка линии с испытуемым образцом, причем длину отрезка линии передачи выбирают больше половины длины волны на нижней частоте диапазона, в котором выполняют измерения.1. The method of measuring the dielectric constant of materials, which consists in measuring the complex reflection coefficient of electromagnetic waves from a section of a transmission line, at the end of which set calibration measures and a section of a line with a test sample, followed by processing the results, characterized in that at the input of a section of a transmission line with a wave impedance Z is connected in parallel to the resistive element with resistance R = (0,1-0,2) Z a, the results of calibration measurements determine the scattered wave parameters I chain connecting the plane of measurement of the complex reflection coefficient with the plane of connection of the line section with the test sample, while the dielectric constant and the loss tangent of the test material are determined by processing the data array for the reflection coefficient module, having the form of a comb function of the frequency of electromagnetic waves and its analytical expression through wave scattering parameters and the complex reflection coefficient from the line section with the test sample, and the length of the line cottages selected more than half of the wavelength at the lower frequency range in which measurement is performed. 2. Устройство для измерения диэлектрической проницаемости материалов, содержащее отрезок линии передачи с возможностью установки на его конце участка линии с испытуемым образцом и калибровочных мер, измерительное устройство, отличающееся тем, что на входе отрезка линии передачи параллельно ему подключен резистивный элемент, к которому через переход подключено измерительное устройство.2. A device for measuring the dielectric constant of materials, containing a segment of a transmission line with the possibility of installing at its end a section of a line with a test sample and calibration measures, a measuring device, characterized in that a resistive element is connected at the input of a segment of a transmission line to it, through which connected measuring device. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что при выполнении отрезка линии передачи в виде волновода в качестве резистивного элемента использована резистивная пленка или емкостная диафрагма с резистором, установленная между фланцами коаксиально-волноводного перехода и волновода.3. The device according to claim 2, characterized in that when performing a segment of the transmission line in the form of a waveguide, a resistive film or a capacitive diaphragm with a resistor installed between the flanges of the coaxial waveguide transition and the waveguide is used as a resistive element. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что при выполнении отрезка линии передачи в виде коаксиальной или полосковой линии в качестве резистивного элемента использован резистор, установленный между центральным или полосковым проводником и экраном, подключенный через коаксиальный разъем в случае коаксиальной линии или коаксиально-полосковый переход в случае полосковой линии к измерительному устройству.4. The device according to claim 2, characterized in that when performing a segment of the transmission line in the form of a coaxial or strip line, a resistor is used as a resistive element, installed between the center or strip conductor and the screen, connected through a coaxial connector in the case of a coaxial line or coaxial strip transition in the case of a strip line to the measuring device. 5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве измерительного устройства использован векторный рефлектометр. 5. The device according to claim 2, characterized in that a vector reflectometer is used as a measuring device.
RU2014102543/28A 2014-01-27 2014-01-27 Method to measure dielectric permeability of materials and device for its realisation RU2548064C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014102543/28A RU2548064C1 (en) 2014-01-27 2014-01-27 Method to measure dielectric permeability of materials and device for its realisation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014102543/28A RU2548064C1 (en) 2014-01-27 2014-01-27 Method to measure dielectric permeability of materials and device for its realisation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2548064C1 true RU2548064C1 (en) 2015-04-10

Family

ID=53296605

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014102543/28A RU2548064C1 (en) 2014-01-27 2014-01-27 Method to measure dielectric permeability of materials and device for its realisation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2548064C1 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106501617A (en) * 2016-12-22 2017-03-15 华南理工大学 The calibration steps of dielectric material measuring piece, short-circuit calibrating device, dielectric material measuring method and device
RU2710514C1 (en) * 2018-11-01 2019-12-26 Общество с ограниченной ответственностью "Арзамасское приборостроительное конструкторское бюро" Method of measuring s-parameters of objects in non-standard guide systems
RU2716600C1 (en) * 2019-06-25 2020-03-13 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" Method of determining relative dielectric permeability and angle tangent of dielectric loss of dielectric structure
CN111795979A (en) * 2020-07-03 2020-10-20 内蒙古大学 Test method for measuring complex dielectric constant and complex permeability of film sample
CN114184846A (en) * 2021-11-26 2022-03-15 深圳飞骧科技股份有限公司 Broadband multi-path dielectric constant measuring system based on frequency comb
RU2789626C1 (en) * 2022-01-10 2023-02-06 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г.Ромашина" Method for measuring the relative complex dielectric permittivity of a lossy material

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3403335A (en) * 1965-05-19 1968-09-24 Amp Inc Dielectric constant measurement means and method utilizing frequency sweep and fixed probe
US5233306A (en) * 1991-02-13 1993-08-03 The Board Of Regents Of The University Of Wisconsin System Method and apparatus for measuring the permittivity of materials
US5334941A (en) * 1992-09-14 1994-08-02 Kdc Technology Corp. Microwave reflection resonator sensors
RU2199760C2 (en) * 2001-03-13 2003-02-27 Ульяновский государственный технический университет Device for measuring large values of complex dielectric permeability of high degree absorbing materials using uhf
RU2321010C1 (en) * 2006-08-08 2008-03-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" Device for measurement of high quantities of complex dielectric constant of low-impedance composite materials at shf
US8577632B2 (en) * 2010-01-19 2013-11-05 Yuriy SHLEPNEV System and method for identification of complex permittivity of transmission line dielectric

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3403335A (en) * 1965-05-19 1968-09-24 Amp Inc Dielectric constant measurement means and method utilizing frequency sweep and fixed probe
US5233306A (en) * 1991-02-13 1993-08-03 The Board Of Regents Of The University Of Wisconsin System Method and apparatus for measuring the permittivity of materials
US5334941A (en) * 1992-09-14 1994-08-02 Kdc Technology Corp. Microwave reflection resonator sensors
RU2199760C2 (en) * 2001-03-13 2003-02-27 Ульяновский государственный технический университет Device for measuring large values of complex dielectric permeability of high degree absorbing materials using uhf
RU2321010C1 (en) * 2006-08-08 2008-03-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" Device for measurement of high quantities of complex dielectric constant of low-impedance composite materials at shf
US8577632B2 (en) * 2010-01-19 2013-11-05 Yuriy SHLEPNEV System and method for identification of complex permittivity of transmission line dielectric

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106501617A (en) * 2016-12-22 2017-03-15 华南理工大学 The calibration steps of dielectric material measuring piece, short-circuit calibrating device, dielectric material measuring method and device
CN106501617B (en) * 2016-12-22 2023-05-02 华南理工大学 Calibration method of dielectric material measurement piece, short circuit calibration piece, dielectric material measurement method and device
RU2710514C1 (en) * 2018-11-01 2019-12-26 Общество с ограниченной ответственностью "Арзамасское приборостроительное конструкторское бюро" Method of measuring s-parameters of objects in non-standard guide systems
RU2716600C1 (en) * 2019-06-25 2020-03-13 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" Method of determining relative dielectric permeability and angle tangent of dielectric loss of dielectric structure
CN111795979A (en) * 2020-07-03 2020-10-20 内蒙古大学 Test method for measuring complex dielectric constant and complex permeability of film sample
CN114184846A (en) * 2021-11-26 2022-03-15 深圳飞骧科技股份有限公司 Broadband multi-path dielectric constant measuring system based on frequency comb
CN114184846B (en) * 2021-11-26 2023-05-23 深圳飞骧科技股份有限公司 Broadband multipath dielectric constant measurement system based on frequency comb
RU2789626C1 (en) * 2022-01-10 2023-02-06 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г.Ромашина" Method for measuring the relative complex dielectric permittivity of a lossy material
RU220896U1 (en) * 2023-01-11 2023-10-10 Акционерное общество "Воронежский научно-исследовательский институт "Вега" (АО "ВНИИ "Вега") Device for measuring resistor characteristics
RU217882U1 (en) * 2023-01-20 2023-04-24 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Омский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук (ОНЦ СО РАН) A device for measuring soil permittivity spectra based on a symmetrical strip line
RU2810948C1 (en) * 2023-06-07 2024-01-09 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный педагогический университет" Device for measuring spectra of ground dielectric constant in wide frequency band based on symmetrical strip line

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111426885A (en) CSRR microstrip resonance sensor for measuring complex dielectric constant and application thereof
RU2548064C1 (en) Method to measure dielectric permeability of materials and device for its realisation
Shete et al. Design of a coplanar sensor for RF characterization of thin dielectric samples
US20080191711A1 (en) Device for measurement of electrical properties in materials
Hasar et al. A microwave method based on amplitude-only reflection measurements for permittivity determination of low-loss materials
Malkin et al. Estimation of uncertainty of permittivity measurement with transmission line method in the wide frequency range
You et al. Non-destructive dielectric measurements and calibration for thin materials using waveguide-coaxial adaptors
Shibata S 11 Calibration of Cut-Off Circular Waveguide with Three Materials and Related Application to Dielectric Measurement for Liquids
Moradi et al. Measuring the permittivity of dielectric materials using STDR approach
Ghodgaonkar et al. Microwave nondestructive testing of composite materials using free-space microwave measurement techniques
Hasar Thickness-independent automated constitutive parameters extraction of thin solid and liquid materials from waveguide measurements
Hasar et al. Noniterative Reference-Plane-Invariant Material Parameter Retrieval Method for Low-Loss Solid Samples Using One-Port Waveguide Measurements
Hasar et al. Effect of sample deformation in longitudinal axis on material parameter extraction by waveguides
Hasar Procedure for accurate and stable constitutive parameters extraction of materials at microwave frequencies
Hasar et al. On the application of microwave calibration-independent measurements for noninvasive thickness evaluation of medium-or low-loss solid materials
Hasar Microwave method for thickness-independent permittivity extraction of low-loss dielectric materials from transmission measurements
KR100732935B1 (en) Measurement probe and system of material's dielectric constant using a transmitted reference impulse, and measurement method thereof
JP2008241468A (en) Electromagnetic characteristics measuring method
Akhter et al. Online monitoring of moving objects on conveyor belts using RF time domain imaging technique
Julrat et al. Open-ended coplanar waveguide sensor for dielectric permittivity measurement
Malik et al. Measurement of wood grain angle using free-space microwave measurement system in 8-12 GHz frequency range
Hasar et al. Permittivity determination of liquid materials using waveguide measurements for industrial applications
Jebbor et al. Experimental complex permittivity determination of low-loss dielectric materials at microwave frequency band
Sharma et al. An improved NRW procedure for dielectric characterization for solids and uncertainty estimation
RU2721472C1 (en) Method of determining dielectric permeability of anisotropic dielectrics

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160128