RU2797142C1 - Method for measuring the complex permittivity of a material in the microwave range - Google Patents

Method for measuring the complex permittivity of a material in the microwave range Download PDF

Info

Publication number
RU2797142C1
RU2797142C1 RU2022130400A RU2022130400A RU2797142C1 RU 2797142 C1 RU2797142 C1 RU 2797142C1 RU 2022130400 A RU2022130400 A RU 2022130400A RU 2022130400 A RU2022130400 A RU 2022130400A RU 2797142 C1 RU2797142 C1 RU 2797142C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sample
microwave
microwave device
transmission coefficient
measuring
Prior art date
Application number
RU2022130400A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Иванович Чони
Владимир Никифорович Лаврушев
Александр Анатольевич Авксентьев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ"
Application granted granted Critical
Publication of RU2797142C1 publication Critical patent/RU2797142C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: microwave measurements.
SUBSTANCE: invention relates to the field of radio measurements of the parameters of dielectric materials in the microwave, including the relative dielectric permittivity and the tangent of the dielectric loss angle. A method for measuring the complex permittivity of a material in the microwave range includes placing a sample of the material under study in a microwave device, measuring the frequency dependence of the reflection coefficient and/or transmission coefficient of the microwave device with the image located in it and processing the measurement results, in which the values of the complex permittivity of the sample are selected in the electrodynamic simulation environment so that the calculated frequency dependences of the reflection coefficient and/or transmission coefficient differ minimally from the measured dependences. In addition, the frequency dependence of the transmission coefficient of the microwave device without a sample from the test material located in it and/or the transmission coefficient of the microwave device with a sample of a material with a known complex dielectric permittivity is additionally measured and calculated in the electrodynamic simulation environment. The proximity of the results of measurements and calculations is used to judge the acceptability of the electrodynamic modelling environment used and the correctness of the description of the microwave device in it.
EFFECT: expanding the scope of the method both in relation to the use of microwave devices of various configurations, and in relation to the shape, size and parameters of the measured sample.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области радиоизмерений параметров диэлектрических материалов на СВЧ, включая относительную диэлектрическую проницаемость εr и тангенс угла диэлектрических потерь tgδ, которые образуют комплексную относительную диэлектрическую проницаемость εr = εr' +j εr''= εr' (1+j tgδ).The invention relates to the field of radio measurements of the parameters of dielectric materials in the microwave, including the relative permittivity ε r and dielectric loss tangent tgδ, which form a complex relative permittivity ε r = ε r ' +j ε r ''= ε r ' (1+j tanδ).

Известные способы определения параметров диэлектрических материалов используют СВЧ устройства, в которые вставляют образец из материала, у которого нужно измерить комплексную относительную диэлектрическую проницаемость. Это устройство подключают к измерительным приборам и определяют коэффициент отражения и/или коэффициента передачи СВЧ-устройства. По результатам измерения и формулам, номограммам, программам, приведенным для используемого устройства, определяют параметры материала.Known methods for determining the parameters of dielectric materials use microwave devices into which a sample of the material is inserted, for which the complex relative permittivity is to be measured. This device is connected to measuring instruments and the reflectance and/or transmission coefficient of the microwave device is determined. According to the measurement results and formulas, nomograms, programs given for the device used, the material parameters are determined.

На Фиг. 1 приведены 4 типа используемых устройств СВЧ:On FIG. 1 shows 4 types of microwave devices used:

а) резонатор с волной Е010 и стержневым образцом 1 из испытуемого материала;a) a resonator with an E 010 wave and a rod sample 1 made of the material under test;

б) прямоугольный волновод с образцом 1 прямоугольного сечения;b) a rectangular waveguide with a sample 1 of rectangular cross section;

в) прямоугольный или круглый волновод, к фланцу которого прижата пластина-образец 1 ;c) a rectangular or round waveguide, to the flange of which a sample plate 1 is pressed;

г) два рупора, между которыми расположен образец 1 больших размеров.d) two horns, between which there is a sample 1 of large sizes.

Первым на Фиг. 1а показан резонаторный метод. В этом случае измеряют частоту настройки резонатора и добротности резонансных кривых резонатора со вставленным образцом и пустого резонатора, после чего по соответствующим формулам вычисляют комплексную диэлектрическую проницаемость испытуемого материала [В.Н. Егоров. Резонансные методы исследования диэлектриков на С.В.Ч. // Приборы и техника эксперимента. 2007. - №2. - С.5-38; Патент РФ №2231 078 С1, МПК G01R 27/04, опубл. 20.06.2004 Бюл. №17; Патент РФ №2253 123С1, МПК G01R 27/26, опубл. 27.05.2005 Бюл. №15; US 4801862, G01N 22/00 Jan. 31, 1989; US 5532604, G01N 22/00 Jul. 2, 1996; Патент РФ №2744 158 С1, МПК G01R 27/26, опубл. 03.03.2021 Бюл. №7; US 10553926 B2, H01P 7/04, H01P 7/10 Feb. 4, 2020; US 7199591 B2, G01R 27/04 May 5, 2005; US 6496018 B1, G01R 27/04 Dec. 17, 2002].The first in Fig. 1a shows the resonator method. In this case, the tuning frequency of the resonator and the quality factor of the resonant curves of the resonator with an inserted sample and an empty resonator are measured, after which the complex permittivity of the test material is calculated using the appropriate formulas [V.N. Egorov. Resonant methods for studying dielectrics at S.V.Ch. // Devices and technique of experiment. 2007. - No. 2. - P.5-38; RF patent No. 2231 078 C1, IPC G01R 27/04, publ. 06/20/2004 Bull. No. 17; RF patent No. 2253 123C1, IPC G01R 27/26, publ. 05/27/2005 Bull. No. 15; US 4801862, G01N 22/00 Jan. 31, 1989; US 5532604, G01N 22/00 Jul. 2, 1996; RF patent No. 2744 158 C1, IPC G01R 27/26, publ. 03.03.2021 Bull. No. 7; US 10553926 B2, H01P 7/04, H01P 7/10 Feb. 4, 2020; US 7199591 B2, G01R 27/04 May 5, 2005; US 6496018 B1, G01R 27/04 Dec. 17, 2002].

Вторым на Фиг. 1б показан волноводный метод. Параметры испытуемого материала здесь вычисляют по изменению коэффициента отражения волноводного тракта после размещения в нем соответствующего образца.The second in Fig. 1b shows the waveguide method. The parameters of the material under test are here calculated from the change in the reflectance of the waveguide path after the corresponding sample is placed in it.

4 типа, г) на Фиг. 1. Образец может быть пластиной, как в способе RU 2713162 C1 (опубл. 04.02.2020, Бюл. №4), или, как изображено на Фиг. 1, заготовкой относительно простой геометрии (шар, эллипсоид и т.п.).4 types, d) in Fig. 1. The sample can be a plate, as in the method of RU 2713162 C1 (published on February 4, 2020, Bull. No. 4), or, as shown in Fig. 1 with a workpiece of relatively simple geometry (ball, ellipsoid, etc.).

Известны способы определения параметров диэлектрических материалов в свободном пространстве, основанные на анализе прошедших и отраженных от пластины диэлектрика электромагнитных волн [Семененко В.Н., Чистяев В.А. Методики измерения диэлектрической проницаемости листовых образцов материалов в СВЧ диапазоне частот в свободном пространстве Материалы 20-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 13-17 сентября, Севастополь, Крым, 2010 г., с. 1091-1092].Known methods for determining the parameters of dielectric materials in free space, based on the analysis of electromagnetic waves transmitted and reflected from the dielectric plate [Semenenko V.N., Chistyaev V.A. Methods for measuring the permittivity of sheet materials in the microwave frequency range in free space Proceedings of the 20th International Crimean Conference "Microwave Engineering and Telecommunication Technologies", September 13-17, Sevastopol, Crimea, 2010, p. 1091-1092].

При этом измеряют комплексный коэффициент передачи между передающей и приемной антеннами без образца материала и в его присутствии, или амплитуду и фазу волны, отражающейся от образца [А.А. Брандт. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах М.: Физматгиз, 1963. - 404 с.; D. K. Ghodgaonkar, V. V. Varadan and V. K. Varadan. Free-Space Measurement of Complex Permittivity and Complex Permeability of Magnetic Materials at Microwave Frequencies. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. Vol. 39 № 2, April, 1990; В.И. Сусляев, В.А. Журавлев, Е.Ю. Коровин, Ю.П. Землянухин. Рупорный метод измерения электромагнитного отклика от плоских образцов в диапазоне частот 26-37,5 ГГц с улучшенными метрологическими характеристиками. Радиотехника. Телекоммуникация. Антенны. Микроволновые устройства. Доклады ТУСУРа, №2 (24) часть 1, декабрь 2011. с. 227-231; Патент РФ №2688588 С1, G01R 27/26, опубл. 21.05.2019 Бюл. №15].In this case, the complex transmission coefficient between the transmitting and receiving antennas is measured without and in the presence of a material sample, or the amplitude and phase of the wave reflected from the sample [A.A. Brandt. Investigation of dielectrics at ultrahigh frequencies M.: Fizmatgiz, 1963. - 404 p.; D. K. Ghodgaonkar, V. V. Varadan and V. K. Varadan. Free-Space Measurement of Complex Permittivity and Complex Permeability of Magnetic Materials at Microwave Frequencies. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. Vol. 39 No. 2, April, 1990; IN AND. Suslyaev, V.A. Zhuravlev, E.Yu. Korovin, Yu.P. Zemlyanukhin. Horn method for measuring the electromagnetic response from flat samples in the frequency range of 26-37.5 GHz with improved metrological characteristics. Radio engineering. Telecommunication. Antennas. Microwave devices. Reports of TUSUR, No. 2 (24) part 1, December 2011. p. 227-231; RF patent No. 2688588 C1, G01R 27/26, publ. 05/21/2019 Bull. No. 15].

Известны способы определения диэлектрической проницаемости материалов по мощности и фазе волны, отраженной от пластины, расположенной под углом Брюстера [А.с. СССР №1550436, кл. G01R 27/26, 15.03.1990 Бюл. №10; Патент РФ №2249178 С2, МПК G01B 15/02, G01R 27/26, опубл. 27.03.2005 Бюл. №9; Патент РФ №2613810 С1, МПК G01R 27/00, опубл. 21.03.2017 Бюл. №9].Known methods for determining the dielectric constant of materials by the power and phase of the wave reflected from the plate located at the Brewster angle [A.S. USSR No. 1550436, class. G01R 27/26, 03/15/1990 Bull. No. 10; RF patent No. 2249178 C2, IPC G01B 15/02, G01R 27/26, publ. 03/27/2005 Bull. No. 9; RF patent No. 2613810 C1, IPC G01R 27/00, publ. 03/21/2017 Bull. No. 9].

Недостаток перечисленных способов 4 типа состоит в том, что образец должен быть пластиной большого волнового размера и результаты измерения комплексной диэлектрической проницаемости не отличаются высокой точностью.The disadvantage of the listed type 4 methods is that the sample must be a plate of large wave size and the results of measuring the complex permittivity are not very accurate.

Наиболее близким способом по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости, описанный в действующем стандарте ГОСТ 27496.2-87 (МЭК 377-2-77) «Методы определения диэлектрических свойств на частотах свыше 300 МГц. Резонансные методы». Суть способа описана в п. 5 «Методика измерения» и состоит в том, что измеряют частотную зависимость коэффициента передачи от входа к выходу резонатора со вставленным в него образцом испытываемого материала, определяют/оценивают резонансную частоту f L и полуширину резонансной кривой δf L , образец извлекают из резонатора и выполняют аналогичные измерения резонансной частоты f U и полуширины резонансной кривой δf Г , затем по формулам, соответствующим используемому резонатору и размерам образца, оценивают значение относительной диэлектрической проницаемости εr и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ.The closest method in terms of technical essence to the claimed invention is the method of measuring the complex dielectric constant, chosen as a prototype, described in the current standard GOST 27496.2-87 (IEC 377-2-77) “Methods for determining dielectric properties at frequencies above 300 MHz. Resonance Methods. The essence of the method is described in paragraph 5 "Measurement procedure" and consists in the fact that the frequency dependence of the transfer coefficient from the input to the output of the resonator with a sample of the test material inserted into it is measured, the resonant frequency f L and the half-width of the resonant curve δ f L are determined/estimated, the sample is removed from the resonator and similar measurements of the resonant frequency f U and the half-width of the resonance curve δ f G are performed, then the value of the relative permittivity ε r and the dielectric loss tangent tgδ is estimated using the formulas corresponding to the resonator used and the dimensions of the sample.

ГОСТ 27496.2-87 регламентирует 4 типа СВЧ - резонаторов: проходной цилиндрический, коаксиальный, закрытый резонатор с волной определенного типа и открытый резонатор. Образец из испытуемого материала имеет форму цилиндрической шайбы (с отверстием в случае коаксиального резонатора) или круглого стержня.GOST 27496.2-87 regulates 4 types of microwave resonators: cylindrical through passage, coaxial, closed resonator with a wave of a certain type and open resonator. The material to be tested is in the form of a cylindrical washer (with a hole in the case of a coaxial resonator) or a round rod.

Недостаток прототипа состоит в том, что область его применения ограничена четырьмя типами СВЧ резонаторов и, соответственно, ограничены форма и размеры испытуемого образца. Кроме того, ограничивает область применения прототипа ограничена материалами с малыми потерями, поскольку точность измерений существенно снижается при высоких потерях (больших значениях tgδ).The disadvantage of the prototype is that its scope is limited to four types of microwave resonators and, accordingly, the shape and dimensions of the test sample are limited. In addition, limits the scope of the prototype is limited to materials with low losses, since the measurement accuracy is significantly reduced at high losses (large values of tgδ).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение области применения способа как в отношении использования СВЧ устройств различной конфигурации, так и в отношении формы, размеров и параметров измеряемого образца.The technical result of the invention is to expand the scope of the method both in relation to the use of microwave devices of various configurations, and in relation to the shape, size and parameters of the measured sample.

Технический результат достигается тем, что способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости материала в диапазоне СВЧ включает: размещение образца из исследуемого материала в СВЧ-устройстве, выполненном из известных материалов, измерение частотной зависимости коэффициента отражения или/и коэффициента передачи СВЧ-устройства с расположенным возле него или в нем образцом из испытуемого материала и обработку результатов измерения, сводящуюся к тому, что в подходящей среде электродинамического моделирования рассчитывают частотные зависимости коэффициента отражения или коэффициента передачи СВЧ-устройства с расположенным возле него или в нем испытуемым образцом, варьируют фигурирующие в электродинамической модели значения комплексной диэлектрической проницаемости образца и определяют значение, при котором расчетная частотная зависимость коэффициента отражения и/или коэффициента передачи минимально отличается от измеренной зависимости.The technical result is achieved by the fact that the method for measuring the complex permittivity of a material in the microwave range includes: placing a sample of the material under study in a microwave device made of known materials, measuring the frequency dependence of the reflection coefficient and/or the transmission coefficient of the microwave device with or in it with a sample from the test material and processing the measurement results, which boils down to the fact that in a suitable environment of electrodynamic simulation, the frequency dependences of the reflection coefficient or transmission coefficient of the microwave device are calculated with the test sample located near it or in it, the values of the complex dielectric appearing in the electrodynamic model vary the permeability of the sample and determine the value at which the calculated frequency dependence of the reflection coefficient and/or transmission coefficient is minimally different from the measured dependence.

Изобретение поясняется чертежом.The invention is illustrated in the drawing.

На фиг. 1 из многих возможных представлены 4 типа СВЧ устройств, которые могут использоваться при реализации заявляемого способа измерения:In FIG. 1 out of many possible 4 types of microwave devices are presented that can be used in the implementation of the proposed measurement method:

а) - резонатор с волной Е010 и стержневым образцом 1 из испытуемого материала;a) - a resonator with a wave E 010 and a rod sample 1 from the material under test;

б) - прямоугольный волновод с образцом 1 прямоугольного сечения;b) - a rectangular waveguide with a sample 1 of rectangular cross section;

в) - прямоугольный или круглый волновод, к фланцу которого прижата пластина-образец 1 ;c) - a rectangular or round waveguide, to the flange of which a sample plate 1 is pressed;

г) - два рупора, между которыми расположен образец 1 больших размеров. Образец может быть пластиной, как в способе RU 2713162 C1 (опубл. 04.02.2020, Бюл. №4), или, как изображено на Фиг. 1, заготовкой относительно простой геометрии (шар, эллипсоид и т.п.), если не желательно или технологически сложно высекать из нее малый образец.d) - two horns, between which there is a sample 1 of large sizes. The sample can be a plate, as in the method of RU 2713162 C1 (published on February 4, 2020, Bull. No. 4), or, as shown in Fig. 1, with a workpiece of relatively simple geometry (ball, ellipsoid, etc.), if it is not desirable or technologically difficult to cut a small sample from it.

Тип используемого СВЧ-устройства зависит от характера измеряемого материала. Так, материал с большими потерями точнее измеряется в волноводном варианте (Фиг. 1б), измерение локальных параметров большой пластины можно достичь в варианте (Фиг. 1в).The type of microwave device used depends on the nature of the material being measured. Thus, a material with large losses is measured more accurately in the waveguide variant (Fig. 1b), the measurement of local parameters of a large plate can be achieved in the variant (Fig. 1c).

Предпосылки изобретения - наличие универсальных сред моделирования устройств СВЧ и антенн, таких, например, как CST MWS, HFSS, высокая точность которых подтверждена практикой их широкого применения [Курушин А.А., Пластиков А.Н. Проектирование СВЧ устройств в среде CST Microwave Studio. - М.: МЭИ, 2011, 155 с.; Банков Е.А., Курушин А.А. Проектирование СВЧ устройств и антенн с Ansoft HFSS. М.: 2009, 736 с.].The background of the invention is the availability of universal environments for modeling microwave devices and antennas, such as, for example, CST MWS, HFSS, the high accuracy of which is confirmed by the practice of their wide application [Kurushin A.A., Plasticov A.N. Designing microwave devices in CST Microwave Studio. - M.: MPEI, 2011, 155 p.; Bankov E.A., Kurushin A.A. Designing microwave devices and antennas with Ansoft HFSS. M.: 2009, 736 p.].

Заявляемый способ включает размещение образца из исследуемого материала в СВЧ-устройстве, измерение частотной зависимости коэффициента отражения и/или коэффициента передачи СВЧ-устройства с расположенным в нем образом и обработку результатов измерения, которая состоит в том, что в подходящей среде моделирования рассчитывают частотные зависимости коэффициента отражения или/и коэффициента передачи СВЧ-устройства с расположенным возле него или в нем испытуемым образцом, варьируют фигурирующие в электродинамической модели значения комплексной диэлектрической проницаемости образца и определяют значение, при котором расчетные частотные зависимости коэффициента отражения и/или коэффициента передачи минимально отличается от измеренных зависимостей.The claimed method includes placing a sample of the material under study in a microwave device, measuring the frequency dependence of the reflection coefficient and / or transmission coefficient of the microwave device with the image located in it, and processing the measurement results, which consists in calculating the frequency dependences of the coefficient in a suitable simulation environment reflection and/or transmission coefficient of a microwave device with a test sample located near it or in it, vary the values of the complex permittivity of the sample appearing in the electrodynamic model and determine the value at which the calculated frequency dependences of the reflection coefficient and/or transmission coefficient are minimally different from the measured dependences .

При переходе к использованию оригинального СВЧ-устройства или смене среды моделирования дополнительно измеряют и моделируют частотную зависимость коэффициента отражения и/или коэффициента передачи СВЧ-устройства без расположенного в нем испытуемого образца, и по близости результатов измерений и расчетов судят о приемлемости используемой среды моделирования.When switching to the use of the original microwave device or changing the simulation environment, the frequency dependence of the reflection coefficient and / or transmission coefficient of the microwave device without the test sample located in it is additionally measured and simulated, and the acceptability of the simulation environment used is judged by the proximity of the measurement and calculation results.

Наконец, заметим, что в известных способах измерения комплексной диэлектрической проницаемости материала важна точность изготовления СВЧ-устройства и испытуемого образца, поскольку при обработке результатов измерений используются формулы или номограммы, относящиеся к определенной структуре. В заявляемом способе результаты измерений сопоставляются с результатами моделирования, и в этой ситуации важна точность задания записываемых в модель параметров СВЧ-устройства и испытуемого образца, что обеспечить на порядок проще.Finally, we note that in the known methods for measuring the complex permittivity of a material, the accuracy of manufacturing a microwave device and a test sample is important, since formulas or nomograms related to a certain structure are used in processing the measurement results. In the claimed method, the measurement results are compared with the simulation results, and in this situation, the accuracy of setting the parameters of the microwave device and the test sample recorded in the model is important, which is an order of magnitude easier to provide.

Особенность заявляемого способа заключается в том, что вместо применения формул или номограмм для оценки комплексной диэлектрической проницаемости материала используются среды моделирования конкретных СВЧ-устройств с испытуемыми образцами.The peculiarity of the proposed method lies in the fact that instead of using formulas or nomograms to assess the complex permittivity of the material, modeling environments for specific microwave devices with test samples are used.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что не обнаружено источника, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения.The analysis of the state of the art carried out by the applicant, including searching through patent and scientific and technical sources of information, and identifying sources containing information about analogues of the claimed invention, made it possible to establish that no source was found that is characterized by features identical to all essential features of the claimed invention.

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

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

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

Способ реализуется с помощью СВЧ-устройства, четыре из возможных типы которого приведены на фиг. 1, где 1 - образец из испытуемого материала.The method is implemented using a microwave device, four of the possible types of which are shown in Fig. 1, where 1 is a sample from the material under test.

На первом этапе измеряют частотные зависимости коэффициента отражения и/или коэффициента передачи СВЧ-устройства с расположенным в нем образом. Для этого служат векторные анализаторы цепей, например, типов PNA-X-Keysight, Р4226А-Микран, ZVA-Rohde & Schwarz. Высокая точность измерений обеспечивается предварительной калибровкой измерительного тракта с использованием калибровочных мер, входящих в состав измерительных приборов. В современных условиях, подобные измерения осуществляются в автоматическом режиме с формированием файлов в определенном формате (модуль и фаза или реальная и мнимая части) и экспортированием этих данных для дальнейшей компьютерной обработки.At the first stage, the frequency dependences of the reflection coefficient and/or the transmission coefficient of the microwave device with the image located in it are measured. For this, vector network analyzers are used, for example, types PNA-X-Keysight, P4226A-Micran, ZVA-Rohde & Schwarz. High measurement accuracy is ensured by preliminary calibration of the measuring path using calibration standards included in the measuring instruments. In modern conditions, such measurements are carried out automatically with the formation of files in a certain format (modulus and phase or real and imaginary parts) and exporting these data for further computer processing.

На втором этапе, в среде электродинамического моделирования CST MWS, HFSS или иных, осуществляют расчет СВЧ-устройства с расположенным в нем образом при варьируемом значении его комплексной диэлектрической проницаемости и определяют то значение, при котором результаты моделирования предельно близки (например, по минимуму СКО на частотном интервале измерений) к результатам измерений. Для проверки корректности применения среды и правильности введения данных об используемой модели проводятся дополнительные измерения и расчет для установки (СВЧ устройства) без расположенного в ней образца из исследуемого материала или с образцом из материала с известной комплексной диэлектрической проницаемостью. При близости результатов измерений и расчетов судят о приемлемости используемой программы электродинамического моделирования и правильности описания СВЧ-устройства в среде программы.At the second stage, in the CST MWS, HFSS or other electrodynamic simulation environment, the microwave device is calculated with the image located in it at a variable value of its complex permittivity and the value is determined at which the simulation results are extremely close (for example, according to the minimum RMS at frequency interval of measurements) to the measurement results. To check the correctness of the application of the medium and the correctness of entering data on the model used, additional measurements and calculations are carried out for the installation (microwave device) without a sample from the material under study located in it or with a sample from a material with a known complex permittivity. When the results of measurements and calculations are close, the acceptability of the electrodynamic simulation program used and the correctness of the description of the microwave device in the program environment are judged.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:Thus, the above information testifies to the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed invention:

- средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в измерении параметров диэлектрических материалов;- a tool that embodies the claimed method in its implementation, is intended for use in industry, namely in measuring the parameters of dielectric materials;

- для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов.- for the claimed method in the form as it is described in the independent clause of the stated claims, the possibility of its implementation using the means and methods described in the application or known before the priority date is confirmed.

Claims (1)

Способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости материала в диапазоне СВЧ, включающий размещение образца из исследуемого материала в СВЧ-устройстве, измерение частотной зависимости коэффициента отражения и/или коэффициента передачи СВЧ-устройства с расположенным в нем образом и обработку результатов измерения, при которой в электродинамической среде моделирования подбирают значения комплексной диэлектрической проницаемости образца так, чтобы расчетные частотные зависимости коэффициента отражения и/или коэффициента передачи минимально отличались от измеренных зависимостей, дополнительно измеряют и рассчитывают в электродинамической среде моделирования частотную зависимость коэффициента передачи СВЧ-устройства без расположенного в нем образца из исследуемого материала и/или коэффициента передачи СВЧ-устройства с образцом из материала с известной комплексной диэлектрической проницаемостью, и по близости результатов измерений и расчетов судят о приемлемости используемой среды электродинамического моделирования и правильности описания в ней СВЧ-устройства.A method for measuring the complex permittivity of a material in the microwave range, which includes placing a sample of the material under study in a microwave device, measuring the frequency dependence of the reflection coefficient and / or transmission coefficient of the microwave device with the image located in it, and processing the measurement results, in which in the electrodynamic simulation environment select the values of the complex permittivity of the sample so that the calculated frequency dependences of the reflection coefficient and/or the transmission coefficient differ minimally from the measured dependences, additionally measure and calculate in the electrodynamic simulation environment the frequency dependence of the transmission coefficient of the microwave device without a sample of the material under study located in it and/ or the transmission coefficient of a microwave device with a sample of a material with a known complex permittivity, and the proximity of the measurement and calculation results is used to judge the acceptability of the electrodynamic simulation environment used and the correctness of the description of the microwave device in it.
RU2022130400A 2022-11-23 Method for measuring the complex permittivity of a material in the microwave range RU2797142C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2797142C1 true RU2797142C1 (en) 2023-05-31

Family

ID=

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6496018B1 (en) * 1998-09-25 2002-12-17 Oji Paper Co., Ltd. Method and device for measuring dielectric constant
RU2509315C2 (en) * 2012-05-11 2014-03-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный педагогический университет" ОмГПУ Method to measure complex dielectric permeability of liquid and loose substances
CN104330643A (en) * 2014-11-18 2015-02-04 上海市计量测试技术研究院 Improved transmission/reflection method for measuring electromagnetic parameters of material
CN109669075A (en) * 2019-01-25 2019-04-23 电子科技大学 The lossless reflectance measurement methods of medium complex dielectric permittivity based on open rectangle waveguide
US10553926B2 (en) * 2016-07-19 2020-02-04 University Of Electronic Science And Technology Of China Coaxial resonant cavity and system and method for measuring dielectric constant of material
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
RU2744158C1 (en) * 2020-05-19 2021-03-03 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") Method of measuring complex dielectric and magnetic permeabilities of absorbing materials

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6496018B1 (en) * 1998-09-25 2002-12-17 Oji Paper Co., Ltd. Method and device for measuring dielectric constant
RU2509315C2 (en) * 2012-05-11 2014-03-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный педагогический университет" ОмГПУ Method to measure complex dielectric permeability of liquid and loose substances
CN104330643A (en) * 2014-11-18 2015-02-04 上海市计量测试技术研究院 Improved transmission/reflection method for measuring electromagnetic parameters of material
US10553926B2 (en) * 2016-07-19 2020-02-04 University Of Electronic Science And Technology Of China Coaxial resonant cavity and system and method for measuring dielectric constant of material
CN109669075A (en) * 2019-01-25 2019-04-23 电子科技大学 The lossless reflectance measurement methods of medium complex dielectric permittivity based on open rectangle waveguide
RU2744158C1 (en) * 2020-05-19 2021-03-03 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") Method of measuring complex dielectric and magnetic permeabilities of absorbing materials
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

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Д.Г. ФОМИН и др., Анализ методов измерения диэлектрических свойств материалов в СВЧ диапазоне длин волн, Журнал радиоэлектроники, N 6, 2021. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ghodgaonkar et al. Free-space measurement of complex permittivity and complex permeability of magnetic materials at microwave frequencies
Hasar et al. A broadband and stable method for unique complex permittivity determination of low-loss materials
Wang et al. Characterization of dielectric materials at WR-15 band (50–75 GHz) using VNA-based technique
Gutiérrez-Cano et al. A new stand-alone microwave instrument for measuring the complex permittivity of materials at microwave frequencies
Haddadi et al. Geometrical optics-based model for dielectric constant and loss tangent free-space measurement
Haq et al. Inverse modeling and optimization of CSRR-based microwave sensors for industrial applications
Li et al. Compact dielectric constant characterization of low-loss thin dielectric slabs with microwave reflection measurement
RU2548064C1 (en) Method to measure dielectric permeability of materials and device for its realisation
CN113281572B (en) Method and system for testing microwave complex dielectric constant and complex permeability of material
RU2797142C1 (en) Method for measuring the complex permittivity of a material in the microwave range
ur Rahman et al. Crack detection and corrosion mapping using loaded-aperture microwave probe
Celuch et al. Benchmarking of GHz resonator techniques for the characterisation of 5G/mmWave materials
Wang et al. Compact near-field microwave microscope based on the multi-port technique
Canós et al. A novel technique for deembedding the unloaded resonance frequency from measurements of microwave cavities
Scott et al. Biaxial permittivity determination for electrically small material specimens of complex shape using shorted rectangular waveguide measurements
RU2744158C1 (en) Method of measuring complex dielectric and magnetic permeabilities of absorbing materials
Chen et al. Two‐port calibration of test fixtures with different test ports
Mbango et al. Electric parameter extractions using a broadband technique from coaxial line discontinuities
Shwaykani et al. Dielectric spectroscopy for planar materials using guided and unguided electromagnetic waves
Li et al. A modified open-ended rectangular waveguide based reflection approach for dielectric constant characterization of low-loss slab materials
CN109975732B (en) Electromagnetic field probe spatial resolution calibrating device based on rectangular waveguide withering and falling mode
Di Massa et al. Accurate circuit model of open resonator system for dielectric material characterization
Gui et al. Improvement of open resonator technique for dielectric measurement at millimetre wavelengths
Hasar Simple calibration plane-invariant method for complex permittivity determination of dispersive and non-dispersive low-loss materials
Dvorsky et al. Microwave surface conductivity measurement using an open-ended circular waveguide probe