RU2626065C2 - Method of measuring intensity of electric field - Google Patents
Method of measuring intensity of electric field Download PDFInfo
- Publication number
- RU2626065C2 RU2626065C2 RU2015100502A RU2015100502A RU2626065C2 RU 2626065 C2 RU2626065 C2 RU 2626065C2 RU 2015100502 A RU2015100502 A RU 2015100502A RU 2015100502 A RU2015100502 A RU 2015100502A RU 2626065 C2 RU2626065 C2 RU 2626065C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electric field
- sensor
- measuring
- phase shift
- field intensity
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
- G01R29/12—Measuring electrostatic fields or voltage-potential
Abstract
Description
Способ измерения напряженности электрического поля относится к измерительной технике и может использоваться для исследования электрических полей земной атмосферы и космического пространства.The method of measuring electric field strength relates to measuring technique and can be used to study the electric fields of the earth's atmosphere and outer space.
Известен способ измерения напряженности электрического поля, основанный на использовании сегнетоэлектрика, помещенного в исследуемое поле [М.И. Иванов. Способ измерения напряженности электрического поля / АС №140495, опубл. 1961 г. бюлл. №16]. Значение электрического поля определяют по изменению степени поглощения в сегнетоэлектрике ультразвуковых колебаний, возбуждаемых с помощью установленного на нем излучателя колебаний и приемника этих колебаний. Осуществление описываемого способа, согласно изобретению, обеспечивает в ряде случаев повышение точности измерения.A known method of measuring electric field strength, based on the use of a ferroelectric, placed in the studied field [M.I. Ivanov. The method of measuring the electric field / AC No. 140495, publ. 1961 bull. No. 16]. The value of the electric field is determined by the change in the degree of absorption in the ferroelectric of ultrasonic vibrations excited by means of a vibration emitter mounted on it and a receiver of these vibrations. The implementation of the described method, according to the invention, provides in some cases an increase in measurement accuracy.
Известен также способ измерения напряженности постоянного электрического поля, состоящий в том, что в исследуемое поле помещают сегнетоконденсатор, диэлектрическую проницаемость материала которого изменяют вспомогательным переменным полем [Ю.П. Здание, А.А. Бальчитис, В.Ю. Лазаускас, И.К. Петрушкявичус. Устройство для измерения напряженности электрического поля / АС №203781, опубл. 9.10.1967 г., бюлл. №21]. В результате этого воздействия в объеме сегнетоконденсатора возникает ток смещения, по которому судят о напряженности внешнего (измеряемого) электрического поля.There is also a method of measuring the intensity of a constant electric field, consisting in the fact that a ferro-capacitor is placed in the studied field, the dielectric constant of the material of which is changed by an auxiliary alternating field [Yu.P. Building, A.A. Balchitis, V.Yu. Lazauskas, I.K. Petrushkevichus. Device for measuring electric field strength / AC No. 203781, publ. 10/9/1967, bull. No. 21]. As a result of this effect, a bias current arises in the volume of the ferro-capacitor, which is used to judge the strength of the external (measured) electric field.
Известно, что на основе диэлектрика и пары полосковых проводников можно осуществить «полосковый резонатор», используемый в технике СВЧ. Способ вычисления добротности полоскового резонатора и других характеристик устройства изложен в патенте RU 2352032 "Полосковый резонатор», заявка от 31.10.2007, изобретатели Беляев Б.А., Лексиков А.А., Сержантов A.M., опубл. 10.04.2009. Полосковый резонатор работает следующим образом. На резонансных частотах конструкции, когда на длине каждого полоскового проводника укладывается, например, половина длины волны электромагнитного колебания, оба проводника в резонаторе имеют одинаковое распределение высокочастотных токов и напряжений по их длине, т.е. ток в резонаторе делится на два проводника. Это уменьшает потери и повышает добротность.It is known that on the basis of a dielectric and a pair of strip conductors it is possible to realize a “strip resonator” used in the microwave technique. A method for calculating the Q factor of a strip resonator and other characteristics of the device is described in patent RU 2352032 “Strip resonator”, application of 10/31/2007, inventors Belyaev BA, Lexikov AA, Sergeants AM, published on 04/10/2009. as follows: At the resonant frequencies of the structure, when, for example, half the wavelength of the electromagnetic wave is laid along the length of each strip conductor, both conductors in the resonator have the same distribution of high-frequency currents and voltages along their length, i.e., current It is divided into two conductors in the cavity, which reduces losses and improves the quality factor.
Основным недостатком описанных способов измерения напряженности электрического поля является малая чувствительность и большие размеры датчика, что вносит погрешность в измерение поля.The main disadvantage of the described methods for measuring the electric field is the low sensitivity and large size of the sensor, which introduces an error in the measurement of the field.
Техническим результатом, реализуемым при использовании заявляемого способа, является повышение чувствительности и снижение размеров датчика.The technical result realized when using the proposed method is to increase the sensitivity and reduce the size of the sensor.
Указанный технический результат достигается тем, что в датчике напряженности электрического поля, содержащем диэлектрик с изменяемой под действием электрического поля диэлектрической проницаемостью, далее - управляемый диэлектрик ("voltage-controllable dielectric"), новым является то, что регистрация напряженности электрического поля производится посредством измерения сдвига фазы электромагнитной волны, распространяющейся в полосковой линии передачи, на основе которой выполнен датчик. Здесь под сдвигом фазы сигнала имеется в виду время задержки квазимнохроматичного волнового пакета, что связано с методикой измерения сдвига фазы.The indicated technical result is achieved in that in a sensor of electric field strength containing a dielectric with a dielectric constant changing under the influence of an electric field, then a controlled dielectric ("voltage-controllable dielectric"), it is new that registration of electric field strength is carried out by measuring shear phase of the electromagnetic wave propagating in the strip transmission line, on the basis of which the sensor is made. Here, by the phase shift of the signal is meant the delay time of the quasimochromatic wave packet, which is associated with the method of measuring the phase shift.
Отличия заявляемого способа от наиболее близкого аналога заключаются в том, что регистрация напряженности электрического поля производится посредством измерения сдвига фазы сигнала в полосковой линии передачи, содержащей управляемый диэлектрик. Это отличие позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».The differences of the proposed method from the closest analogue are that the registration of the electric field is carried out by measuring the phase shift of the signal in a strip transmission line containing a controlled dielectric. This difference allows us to conclude that the proposed technical solution meets the criterion of "novelty." Signs that distinguish the claimed technical solution from the prototype are not identified in other technical solutions when studying this and related areas of technology and, therefore, provide the claimed solution with the criterion of "inventive step".
Изобретение поясняется нижеследующими чертежами:The invention is illustrated by the following drawings:
Фиг. 1 - конструкция датчика напряженности электрического поля на основе полосковой линии, содержащей управляемый диэлектрик;FIG. 1 is a design of an electric field strength sensor based on a strip line containing a controlled dielectric;
Фиг. 2 - конструкция датчика напряженности электрического поля на основе полоскового резонатора, содержащего управляемый диэлектрик;FIG. 2 is a design of an electric field strength sensor based on a strip resonator containing a controlled dielectric;
Фиг. 3 - амплитудно-частотная (АЧХ) и фазочастотная (ФЧХ) характеристики полосно-пропускающего фильтра при двух значениях диэлектрической проницаемости подложки;FIG. 3 - amplitude-frequency (AFC) and phase-frequency (PFC) characteristics of a band-pass filter at two values of the dielectric constant of the substrate;
Фиг. 4 - конструкция конкретной реализации датчика на основе связанных полосковых резонаторов;FIG. 4 is a design of a specific implementation of a sensor based on coupled strip resonators;
Фиг. 5 - рассчитанная зависимость сдвига фазы сигнала на выходе полоскового полосно-пропускающего фильтра с жидкокристаллическим заполнением от напряженности внешнего электрического поля.FIG. 5 - calculated dependence of the phase shift of the signal at the output of the strip bandpass filter with liquid crystal filling on the intensity of the external electric field.
Общеизвестно, что для согласованного с источником и приемником сигнала отрезка полосковой линии (ПЛ) передачи длиной l набег фазы прошедшего сигнала равен его электрической длинеIt is well known that for a transmission segment of a strip line (PL) coordinated with the signal source and receiver with a length l, the phase incursion of the transmitted signal is equal to its electric length
где λ - длина волны высокочастотного сигнала в вакууме, ε - эффективная диэлектрическая проницаемость диэлектрика ПЛ, зависящая от напряженности внешнего электрического поля. В этом случаеwhere λ is the wavelength of the high-frequency signal in vacuum, ε is the effective dielectric constant of the dielectric PL, depending on the strength of the external electric field. In this case
Из формулы (2) следует, что если изолятор ПЛ содержит управляемый диэлектрик, то регистрацию напряженности внешнего электрического поля можно осуществлять, измеряя сдвиг фазы электромагнитной волны в ПЛ.From formula (2) it follows that if the insulator of the submarine contains a controlled dielectric, then the registration of the external electric field can be carried out by measuring the phase shift of the electromagnetic wave in the submarine.
На Фиг. 1 представлена простейшая конструкция датчика напряженности электрического поля на основе заявляемого способа. Устройство содержит согласованную по волновому сопротивлению с источником (не показан) и приемником сигнала (не показан) полосковую линию передачи, подключенную к входному и выходному портам 2. Полосковая линия (далее также - ПЛ) образована полосковым проводником 1, проводящим основанием 4, и диэлектрической подложки (изолятор) 3, состоящей из материала, диэлектрическая проницаемость которого зависит от приложенного электрического поля. Нижняя сторона подложки металлизирована и вместе с корпусом образует заземляемое основание 4.In FIG. 1 shows the simplest design of an electric field strength sensor based on the proposed method. The device comprises a stripe transmission line connected to the input and
Датчик на основе заявляемого способа работает следующим образом. Под действием измеряемого электрического поля меняется эффективная диэлектрическая проницаемость изолятора ПЛ. При этом происходит изменение скорости распространения электромагнитной волны в ней, что приводит к дополнительному сдвигу ее фазы на выходе ПЛ, измеряя который можно определить величину электрического поля. Важным преимуществом такого способа измерения является то, что его чувствительность можно увеличивать, увеличивая длину ПЛ, так как при этом растет величина сдвига фазы сигнала, которая пропорциональна этой длине (2).The sensor based on the proposed method works as follows. Under the influence of the measured electric field, the effective dielectric constant of the insulator of the submarine changes. In this case, a change in the propagation velocity of the electromagnetic wave in it occurs, which leads to an additional phase shift at the output of the submarine, by measuring which the magnitude of the electric field can be determined. An important advantage of this measurement method is that its sensitivity can be increased by increasing the length of the submarine, since this increases the phase shift of the signal, which is proportional to this length (2).
Размеры датчика можно существенно уменьшить, если использовать резонансный на рабочей частоте отрезок линии передачи, т.е. полосковый резонатор.The size of the sensor can be significantly reduced by using a transmission line section that is resonant at the operating frequency, i.e. strip resonator.
Методы расчета параметров полоскового резонатора доступны в патенте RU 2352031.Methods for calculating the parameters of a strip resonator are available in patent RU 2352031.
Рассмотрим управляемый сдвиг фазы отрезка полосковой линии передачи длиной l в условиях резонанса. Известно [Г.С. Горелик, Колебания и волны, Государственное Издательство физико-математической литературы, М.: 1959, с. 102], что частотная зависимость фазы в резонансе определяется формулойLet us consider a controlled phase shift of a segment of a strip transmission line of length l under resonance conditions. It is known [G.S. Gorelik, Oscillations and waves, State Publishing House of Physics and Mathematics, Moscow: 1959, p. 102] that the frequency dependence of the phase in resonance is determined by the formula
где Q - добротность резонанса, ω0 - резонансная частота. Выразив резонансную частоту через длину отрезка ПЛ - l, скорость света в вакууме - с, и эффективную диэлектрическую ε:
Поскольку вблизи резонанса ω≈ω0, то для резонатораSince near the resonance ω≈ω 0 , for the resonator
Для согласованной линии передачи при тех же условияхFor a consistent transmission line under the same conditions
Таким образом, из формул (5) и (6) видно, что управляемый внешним электрическим полем сдвиг фазы, т.е. чувствительность датчика, в «резонансном» устройстве примерно в Q раз больше, чем в согласованной линии, либо при одинаковой чувствительности «резонансное» устройство может быть выполнено в Q раз миниатюрнее. При этом важно отметить, что в реальном устройстве величина Q - это нагруженная добротность резонатора.Thus, it can be seen from formulas (5) and (6) that the phase shift controlled by an external electric field, i.e. the sensitivity of the sensor in the "resonant" device is approximately Q times greater than in the matched line, or with the same sensitivity, the "resonant" device can be made Q times smaller. It is important to note that in a real device, the Q value is the loaded Q-factor of the resonator.
На Фиг. 2 представлена конструкция датчика электрического поля на основе полоскового резонатора. Устройство содержит отрезок полосковой линии передачи (полосковый проводник) 1, резонансной длины на рабочей частоте (в данном случае - полосковый резонатор, образованный полосковым проводником 1, диэлектрической подложкой (изолятором) 3 и проводящим основанием 4), который подключен к входу и выходу через емкости связи 5, величиной которых определяется его нагруженная добротность. Резонатор подключен к входному и выходному портам 2 и выполнен на диэлектрической подложке (изоляторе) 3, состоящей из управляемого диэлектрика.In FIG. 2 shows the construction of an electric field sensor based on a strip resonator. The device comprises a segment of a strip transmission line (strip conductor) 1, a resonant length at the operating frequency (in this case, a strip resonator formed by a
В качестве управляемого диэлектрика могут быть выбраны сегнетоэлектрики, жидкие кристаллы и другие материалы, известные из уровня техники.As a controlled dielectric, ferroelectrics, liquid crystals, and other materials known from the prior art can be selected.
Под действием измеряемого электрического поля происходит изменение диэлектрической проницаемости материала, что сопровождается изменением резонансной частоты резонатора и сдвигом фазочастотной характеристики. Очевидно, что сигнал на частоте f0 претерпевает при этом некоторый сдвиг фазы, величина которого будет зависеть от напряженности приложенного электрического поля.Under the influence of the measured electric field, a change in the dielectric constant of the material occurs, which is accompanied by a change in the resonant frequency of the resonator and a shift in the phase-frequency characteristic. It is obvious that the signal at a frequency f 0 undergoes a certain phase shift, the magnitude of which will depend on the strength of the applied electric field.
Таким образом, при одинаковой чувствительности «резонансный» датчик будет иметь существенно меньшие размеры. Однако, несмотря на высокую чувствительность и миниатюрность, динамический диапазон такого устройства остается небольшим, что связано с узкой шириной полосы рабочих частот одиночного резонатора, которая определяется его добротностью.Thus, with the same sensitivity, the “resonant” sensor will have significantly smaller dimensions. However, despite the high sensitivity and miniature size, the dynamic range of such a device remains small, due to the narrow bandwidth of the working frequencies of a single resonator, which is determined by its quality factor.
Для расширения динамического диапазона можно использовать систему взаимодействующих полосковых резонаторов, которая, по сути, представляет собой полосно-пропускающий фильтр, частота которого перестраивается внешним электрическим полем. Устройство на основе заявляемого способа работает следующим образом. На Фиг. 3 сплошной линией приведены типичные АЧХ (L) и ФЧХ (ϕ) фильтра, а штрихованной линией - они же при отстройке центральной частоты на некоторую величину, не превышающую ширину полосы пропускания. Видно, что в некоторой полосе частот АЧХ остается равномерной, а ФЧХ в достаточной степени линейной, при этом на каждой частоте из этого интервала происходит фазовый сдвиг Δϕ.To expand the dynamic range, you can use a system of interacting strip resonators, which, in fact, is a band-pass filter, the frequency of which is tuned by an external electric field. A device based on the proposed method works as follows. In FIG. Figure 3 shows the typical frequency response (L) and phase response (ϕ) of the filter with a solid line, and the dashed line shows the same when tuning the center frequency by a certain amount not exceeding the bandwidth. It can be seen that in some frequency band the frequency response remains uniform, and the phase response is sufficiently linear, with a phase shift Δϕ occurring at each frequency from this interval.
Определим, как зависит сдвиг фазы Δϕ подобного устройства от перестройки его центральной частоты на величину δf. Найдем сдвиг фазы Δϕ сигнала, проходящего резонансную цепь на частоте ω, при изменении резонансной частоты последней от ω01=ω-δω до ω02=ω+δω, когда δω<<ω. Введем обозначение Δω/ω=δ, тогда на основании формулы (3)Let us determine how the phase shift Δϕ of such a device depends on the tuning of its center frequency by δf. We find the phase shift Δϕ of the signal passing through the resonant circuit at the frequency ω, when the resonant frequency of the latter changes from ω 01 = ω-δω to ω 02 = ω + δω when δω << ω. We introduce the notation Δω / ω = δ; then, based on formula (3)
Преобразовав разность арктангенсов, получимTransforming the difference of arctangents, we obtain
Так как δ<<1, то с высокой степенью точностиSince δ << 1, then with a high degree of accuracy
Из формулы (9) видно, что сдвиг фазы в системе взаимодействующих полосковых резонаторов в устройстве тем больше, чем выше добротность резонанса и чем значительней сдвиг центральной частоты полосы пропускания, при этом, однако, следует иметь в виду, что в реальном устройстве Q - это нагруженная добротность. Очевидно, что сдвиг фазы пропорционален числу резонаторов в устройстве, т.е. для системы, состоящей из N резонаторовFrom formula (9) it is seen that the phase shift in the system of interacting strip resonators in the device is greater, the higher the resonance Q factor and the greater the shift in the central frequency of the passband, however, it should be borne in mind that in a real device Q is loaded Q factor. Obviously, the phase shift is proportional to the number of resonators in the device, i.e. for a system consisting of N resonators
Таким образом, очевидно, что, увеличивая ширину полосы пропускания, можно расширять динамический диапазон такого датчика при сохранении высокой чувствительности.Thus, it is obvious that by increasing the bandwidth, it is possible to expand the dynamic range of such a sensor while maintaining high sensitivity.
Датчик на основе заявляемого способа работает следующим образом. В датчике, выполненном на основе системы взаимодействующих полосковых резонаторов, в которых в качестве диэлектрика выбран управляемый полем диэлектрик, под действием внешнего электрического поля происходит сдвиг центральной частоты полосы пропускания фильтра, а вместе с тем и ФЧХ (Фиг. 3). Измеряя сдвиг фазы на выбранной частоте, например, f0, можно определить величину напряженности внешнего электрического поля по сдвигу фазы. Очевидно, что чем шире полоса пропускания устройства, тем большим будет динамический диапазон измерения напряженности электрического поля.The sensor based on the proposed method works as follows. In the sensor, made on the basis of a system of interacting strip resonators, in which a dielectric controlled by a field is selected, the central frequency of the passband of the filter, as well as the phase response, is shifted by an external electric field (Fig. 3). By measuring the phase shift at a selected frequency, for example, f 0 , it is possible to determine the magnitude of the external electric field by the phase shift. Obviously, the wider the bandwidth of the device, the greater will be the dynamic range of measurement of electric field strength.
Выбор материала управляемого диэлектрика определяется потерями энергии в диэлектрике, добротностью системы и вариативностью диэлектрической постоянной.The choice of the material of the controlled dielectric is determined by the energy loss in the dielectric, the quality factor of the system, and the variability of the dielectric constant.
В примере, приведенном далее, выбран жидкий кристалл (ЖК) с анизотропией диэлектрической проницаемости, совпадающей по направлению с вектором электрического поля.In the example below, a liquid crystal (LC) with an anisotropy of dielectric constant, which coincides in direction with the electric field vector, is selected.
В технологии создания элементов для СВЧ электроники (фазовращатели и фильтры) известно использование ферроэлектрических тонких пленок с сильной зависимостью 8 от Е. В работе [Z. Yuan, Y. Lin, J. Weaver, X. Chen, C.L. Chen, Applier Physics Letters, Vol. 87, 152901 (2005)] продемонстрировано 80% изменение диэлектрической константы в интервале приложенного поля от 0 до 8 В/мкм. Материалом выступает Mn:BSTO (BSTO обозначение на керамического ферроэлектрика Ba1-xSrxTiO3). В работе [J. Park, J. Lu, S. Stemmer, R.A. York, Journal of Applied Phsyics, Vol. 97, 084110 (2005)] показана сильная зависимость диэлектрической константы от напряженности электрического поля для ферроэлектрика (Ba,Sr)TiO3 (BST) в широком диапазоне частот.In the technology of creating elements for microwave electronics (phase shifters and filters), it is known to use ferroelectric thin films with a strong dependence of 8 on E. In [Z. Yuan, Y. Lin, J. Weaver, X. Chen, CL Chen, Applier Physics Letters, Vol. 87, 152901 (2005)] demonstrated an 80% change in the dielectric constant in the range of the applied field from 0 to 8 V / μm. The material is Mn: BSTO (BSTO designation for ceramic ferroelectric Ba 1-x Sr x TiO 3 ). In [J. Park, J. Lu, S. Stemmer, RA York, Journal of Applied Phsyics, Vol. 97, 084110 (2005)] shows a strong dependence of the dielectric constant on the electric field for a ferroelectric (Ba, Sr) TiO 3 (BST) in a wide frequency range.
Как ясно из раскрытого изобретения, пленки ферроэлектрика могут быть применены в качестве управляемого диэлектрика.As is clear from the disclosed invention, ferroelectric films can be used as a controlled dielectric.
На Фиг. 4 приведен пример конкретной реализации датчика электрического поля на основе заявляемого способа. В таком устройстве роль управляемого диэлектрика (диэлектрическая подложка (изолятор) 3) выполняет слой жидкого кристалла (далее также - ЖК). Благодаря наличию анизотропии диэлектрической проницаемости у ЖК, компоненты тензора которой зависят от ориентации директора, в такой конструкции появляется возможность управления диэлектрической проницаемостью внешним электрическим полем.In FIG. 4 shows an example of a specific implementation of an electric field sensor based on the proposed method. In such a device, the role of a controlled dielectric (dielectric substrate (insulator) 3) is played by a layer of liquid crystal (hereinafter also referred to as LC). Due to the presence of dielectric constant anisotropy in an LC, the tensor components of which depend on the director’s orientation, in this design it becomes possible to control the dielectric constant by an external electric field.
В основе датчика лежит структура полоскового фильтра, состоящего из пяти взаимодействующих полосковых резонаторов.The sensor is based on the structure of a strip filter, consisting of five interacting strip resonators.
Вход и выход устройства подключается через порты 2 к внешним линиям передачи с волновым сопротивлением 50 Ом через полосковые проводники (резонаторы) 6, имеющие распределенную электромагнитную связь с резонаторами, образованными полосковыми проводниками 1. Диэлектрическая подложка (изолятор) 3 находится в зазоре, образованном заземляемым основанием 4 и тонкой кварцевой подложкой 7, на внутренней поверхности которой сформированы регулярные полосковые проводники электромагнитно связанных резонаторов 6.The input and output of the device is connected through
При правильном выборе длин и связей резонаторов датчика, можно сформировать у датчика равномерную полосу пропускания, центрированную на резонансной частоте. Когда внешнее электрическое поле, ортогональное плоскости подложки, равно нулю, взаимодействие со «стенками» ориентирует директор ЖК в плоскости его слоя. В этом случае диэлектрическая проницаемость ЖК минимальна по отношению к поляризации СВЧ электрического поля в микрополосковом резонаторе. При ненулевом внешнем электрическом поле непосредственно под полосковым проводником 1 индуцируется электрическое поле, поворачивающее директор ЖК к направлению силовых линий СВЧ электрического поля резонаторов, в результате чего величина 8 увеличивается, достигая максимума, когда директор устанавливается перпендикулярно слою ЖК.With the right choice of lengths and connections of the resonators of the sensor, it is possible to form a uniform passband at the sensor, centered on the resonant frequency. When the external electric field orthogonal to the plane of the substrate is equal to zero, the interaction with the "walls" is oriented by the director of the LC in the plane of its layer. In this case, the dielectric constant of the LC is minimal with respect to the polarization of the microwave electric field in the microstrip resonator. With a nonzero external electric field, an electric field is induced directly below the
В программе электродинамического моделирования был произведен расчет конструкции датчика на основе заявляемого способа. Датчик имел следующие конструктивные параметры. Число идентичных резонаторов N-S, ширина полосковых проводников резонаторов 1.2 мм, их длина 15.5 мм, диапазон изменения диэлектрической проницаемости ЖК под действием внешнего электрического поля 2.8-3.1 (т.е. анизотропия ЖК Δε=0.3), толщина слоя ЖК-диэлектрика равна 0.5 мм. Рабочая частота датчика составила 6 ГГц при максимальной величине управляемого фазового сдвига на этой частоте ≈720°. Для измерения разности фаз в таком широком диапазоне можно использовать амплитудно-модулированный сигнал, при этом грубое измерение величины сдвига фазы производится на низкой частоте модуляции сигнала, а точное - на рабочей частоте. Это позволяет расширить диапазон измерения фазового сдвига.In the program of electrodynamic modeling, the design of the sensor was calculated based on the proposed method. The sensor had the following design parameters. The number of identical NS resonators, the width of the strip conductors of the resonators is 1.2 mm, their length is 15.5 mm, the range of variation of the dielectric constant of the LC under the influence of an external electric field is 2.8-3.1 (i.e., the anisotropy of the LCD is Δε = 0.3), the thickness of the layer of the LCD dielectric is 0.5 mm . The operating frequency of the sensor was 6 GHz with a maximum value of the controlled phase shift at this frequency ≈720 °. To measure the phase difference in such a wide range, an amplitude-modulated signal can be used, while a coarse measurement of the phase shift is performed at a low signal modulation frequency, and accurate at a working frequency. This allows you to expand the measurement range of the phase shift.
На Фиг. 5 представлена рассчитанная зависимость полученного фазового сдвига такого датчика (показан на Фиг. 4) в зависимости от напряженности приложенного электрического поля. В расчете использовались экспериментально измеренная зависимость диэлектрической проницаемости 6 используемого ЖК от напряженности приложенного электрического поля. Оценки показали, что при точности измерения фазы ±0.05° чувствительность датчика может достигать ≈3 В/м. Такая чувствительность существенно выше, чем у ближайших аналогов, причем ее можно повысить еще более, увеличивая количество резонаторов в датчике и используя жидкий кристалл с большей анизотропией. Используя мостовые измерители сдвига фазы, чувствительность датчика на основе заявляемого способа можно существенно улучшить.In FIG. 5 shows the calculated dependence of the obtained phase shift of such a sensor (shown in Fig. 4) depending on the intensity of the applied electric field. In the calculation, the experimentally measured dependence of the
Таким образом, предложенный способ измерения напряженности электрического поля позволяет создавать на его основе датчики, обладающие высокой чувствительностью и малым размерами.Thus, the proposed method for measuring the electric field strength allows you to create sensors based on it, with high sensitivity and small size.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015100502A RU2626065C2 (en) | 2015-01-12 | 2015-01-12 | Method of measuring intensity of electric field |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015100502A RU2626065C2 (en) | 2015-01-12 | 2015-01-12 | Method of measuring intensity of electric field |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2015100502A RU2015100502A (en) | 2016-07-27 |
RU2626065C2 true RU2626065C2 (en) | 2017-07-21 |
Family
ID=56556815
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015100502A RU2626065C2 (en) | 2015-01-12 | 2015-01-12 | Method of measuring intensity of electric field |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2626065C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2799666C1 (en) * | 2023-02-15 | 2023-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ)" | Method for measuring the electric field strength by one component |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112540239B (en) * | 2019-09-20 | 2022-03-18 | 中国科学院电子学研究所 | Multi-structure coupling-based miniature electric field sensor and preparation method thereof |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5355104A (en) * | 1993-01-29 | 1994-10-11 | Hughes Aircraft Company | Phase shift device using voltage-controllable dielectrics |
US5600325A (en) * | 1995-06-07 | 1997-02-04 | Hughes Electronics | Ferro-electric frequency selective surface radome |
RU2257648C1 (en) * | 2004-01-19 | 2005-07-27 | Государственное научно-исследовательское учреждение Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения РАН | Controlled phase shifter |
RU2339127C2 (en) * | 2006-06-29 | 2008-11-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Phase shifter |
-
2015
- 2015-01-12 RU RU2015100502A patent/RU2626065C2/en active IP Right Revival
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5355104A (en) * | 1993-01-29 | 1994-10-11 | Hughes Aircraft Company | Phase shift device using voltage-controllable dielectrics |
US5600325A (en) * | 1995-06-07 | 1997-02-04 | Hughes Electronics | Ferro-electric frequency selective surface radome |
RU2257648C1 (en) * | 2004-01-19 | 2005-07-27 | Государственное научно-исследовательское учреждение Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения РАН | Controlled phase shifter |
RU2339127C2 (en) * | 2006-06-29 | 2008-11-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Phase shifter |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2799666C1 (en) * | 2023-02-15 | 2023-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ)" | Method for measuring the electric field strength by one component |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2015100502A (en) | 2016-07-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Chakyar et al. | Complex permittivity measurement using metamaterial split ring resonators | |
Magnusson et al. | Surface acoustic wave devices on bulk ZnO crystals at low temperature | |
JP4072601B2 (en) | Apparatus for measuring complex permittivity using cavity resonators | |
US11079339B2 (en) | Biosensor with integrated antenna and measurement method for biosensing applications | |
Urruchi et al. | Note: Tunable notch filter based on liquid crystal technology for microwave applications | |
RU2473889C1 (en) | Method of measuring physical quantity | |
Horestani et al. | Detection modalities of displacement sensors based on split ring resonators: Pros and cons | |
RU2626065C2 (en) | Method of measuring intensity of electric field | |
RU166410U1 (en) | FREQUENCY-SELECTIVE POWER TAPE BASED ON LATERALLY CONNECTED MULTIFERROID STRUCTURES | |
RU167504U1 (en) | DOUBLE CONTROLLED MICROWAVE FILTER BASED ON A FERRITE-FERROELECTRIC STRUCTURE | |
Carvalho et al. | Piezoelectric voltage coupled reentrant cavity resonator | |
RU2536164C1 (en) | Device to detect concentration of mixture of substances | |
US20160320317A1 (en) | High Sensitivity Tunable Radio Frequency Sensors | |
RU2257648C1 (en) | Controlled phase shifter | |
RU2381515C1 (en) | Magnetic field sensor | |
RU2536184C1 (en) | Concentration meter | |
RU2258279C1 (en) | Slotted line | |
RU2298266C1 (en) | Controlled phase shifter | |
Arutyunyan et al. | The Effect of Quasi-Chaotic Oscillations Formation in Devices Based on Strip Structures Containing Bulk LiNbO 3 Crystals | |
Ganapolskii et al. | A millimeter wave dielectrometer for high loss liquids based on the Zenneck wave | |
Utsumi et al. | Dielectric properties of microstrip‐line adaptive liquid crystal devices | |
Jha et al. | Planar microwave bragg reflector resonant dielectric sensor | |
RU2057325C1 (en) | Sensor to measure physical parameters of medium | |
Martin et al. | Electrically microwave tunable components using liquid crystals | |
JP3825299B2 (en) | Dielectric constant measurement method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170420 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20180709 |