RU90911U1 - Устройство для измерения комплексной диэлектрической проницаемости тонкопленочных материалов на сверхвысоких частотах - Google Patents
Устройство для измерения комплексной диэлектрической проницаемости тонкопленочных материалов на сверхвысоких частотах Download PDFInfo
- Publication number
- RU90911U1 RU90911U1 RU2009129433/22U RU2009129433U RU90911U1 RU 90911 U1 RU90911 U1 RU 90911U1 RU 2009129433/22 U RU2009129433/22 U RU 2009129433/22U RU 2009129433 U RU2009129433 U RU 2009129433U RU 90911 U1 RU90911 U1 RU 90911U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- resonator
- measuring
- waveguide
- resonances
- sample
- Prior art date
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 6
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title claims abstract description 5
- 230000035699 permeability Effects 0.000 title description 4
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 4
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims abstract description 3
- XUKUURHRXDUEBC-KAYWLYCHSA-N Atorvastatin Chemical compound C=1C=CC=CC=1C1=C(C=2C=CC(F)=CC=2)N(CC[C@@H](O)C[C@@H](O)CC(O)=O)C(C(C)C)=C1C(=O)NC1=CC=CC=C1 XUKUURHRXDUEBC-KAYWLYCHSA-N 0.000 claims abstract 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims abstract 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 8
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 6
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 2
- 230000005520 electrodynamics Effects 0.000 description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 241001086826 Branta bernicla Species 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000271 Kevlar® Polymers 0.000 description 1
- 239000004760 aramid Substances 0.000 description 1
- 229920003235 aromatic polyamide Polymers 0.000 description 1
- 150000001721 carbon Chemical class 0.000 description 1
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 239000004761 kevlar Substances 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000001845 vibrational spectrum Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
1. Устройство для измерения комплексной диэлектрической проницаемости тонкопленочных магнитодиэлектрических материалов на сверхвысоких частотах, содержащее резонатор в виде короткозамкнутого отрезка регулярного волновода с пазом, устройство измерения резонансных частот и добротностей резонансов, средства связи резонатора с устройством измерения резонансной частоты и добротности резонансов, отличающееся тем, что резонатор включен напроход, а паз, предназначенный для установки в нем исследуемого образца, расположен в середине резонатора перпендикулярно оси волновода и разрезает волновод частично или полностью. ! 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средства связи устройства измерения резонансной частоты и добротности резонансов с резонатором выполнены из волноводов с диафрагмами. ! 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средства связи устройства измерения резонансной частоты и добротности резонансов с резонатором выполнены из коаксиальных волноводов с коаксиально-волноводными переходами.
Description
Заявляемая полезная модель относится к области измерительной техники на сверхвысоких частотах (СВЧ) и может быть использована при неразрушающих измерениях комплексной диэлектрической ε∗=ε'-iε” проницаемости наноструктурных тонкопленочных диэлектрических и магнитодиэлектрических материалов. Основным требованием к рассматриваемым устройствам является осуществление измерений в СВЧ диапазоне высоких значений ε' и широким диапазоном значений ε”.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для измерения высоких значений комплексной диэлектрической проницаемости (патент РФ №2.247.399, БИ №6, 2005 г.). Устройство содержит волноводный резонатор, состоящий из короткозамкнутого отрезка прямоугольного волновода с продольной щелью на боковой стенке, волноводный тракт, связанный с резонатором через диафрагму и устройство измерения резонансной частоты и добротности резонансов. Сначала продольная щель резонатора закрывается эталонным короткозамыкателем и измеряются резонансная частота и добротность резонатора, затем прикладывается исследуемый образец и измерения повторяются. Из полученных результатов измерений определяются действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости образца.
Однако указанное устройство имеет следующие недостатки:
- оно непригодно для раздельного от магнитной проницаемости измерения диэлектрической проницаемости в магнитодиэлектриках из-за протяженного размера продольной щели;
- непригодно для измерения комплексной диэлектрической проницаемости высокоимпендансных образцов, так как в этом случае сильно нарушается картина распределения токов в области щели (которая для повышения чувствительности имеет косые надрезы) резонатора;
- расчет диэлектрической проницаемости по измеренным амплитудно-частотным характеристикам резонатора даже для высокоимпендансных образцов сталкивается с большими сложностями из-за сложной геометрии продольной щели в волноводе и внешнего расположения образца. Таким образом необходимо было решить задачу по устранению искажений, вызванных сложной геометрией продольной щели при обеспечении необходимой картины распределения электрического тока в области щели.
Целью заявляемой полезной модели является обеспечение возможности отдельного от магнитной проницаемости измерения комплексной диэлектрической проницаемости тонкопленочных магнитодиэлектрических образцов, расширение диапазона измеряемых значений ε' и ε” как высокоимпендансных, так низкоимпендансных диэлектриков и магнитодиэлектриков, упрощение расчета диэлектрической проницаемости по измеренным амплитудно-частотным характеристикам резонатора.
Поставленная цель достигается тем, что резонатор из короткозамкнутого отрезка регулярного волновода включен напроход и снабжен элементами связи с измерительной схемой, а в середине резонатора выполнен узкий паз перпендикулярно оси волновода. При измерениях исследуемые и эталонные образцы устанавливаются в паз волновода. Элементы связи могут представлять собой диафрагмы в волноводе или слабосвязанные волноводно-коаксиальные переходы. При необходимости обеспечения контроля листовых диэлектрических материалов большой площади с произвольной по периметру формой листа паз может прорезать волновод насквозь с достижением того же технического результата.
Технический результат при осуществлении заявляемой полезной модели заключается в том, что при применении предлагаемой конструкции резонатора осуществляется расширение диапазона измеряемых диэлектрических материалов от низкоимпендансных до высокоимпендансных, увеличивается точность измерения диэлектрической проницаемости магнитодиэлектрических материалов как за счет исключения вклада от магнитной проницаемости при определении диэлектрической проницаемости, так и за счет увеличения добротности измерительного резонатора.
При проведенном заявителем анализе уровня техники, включающем поиск по патентным и научно-техническим источникам информации с выявлением источников, содержащих сведения об аналогах заявляемой полезной модели, устройств аналогичного назначения с перечнем существенных признаков, что и у заявляемого устройства, обнаружено не было. Это дает основания утверждать о соответствии предлагаемого устройства критерию патентоспособности «новизна» для полезной модели.
Предлагаемую полезную модель иллюстрируют:
Фиг.1 - блок-схема измерений, где 1 - анализатор цепей, 2 - измерительная ячейка в виде резонатора стоячей волны, 3 - измеряемый образец.
Фиг.2 - резонатор стоячей волны, где изображен вариант конструкции резонатора из отрезка примоугольного волновода с пазом до середины волновода: 1 - отверстия связи; 2 - разрез волновода; 3 - измеряемый образец.
Фиг.3 - Графики зависимости передаточных характеристик измерительного резонатора: 1 - без образца, 2 - с кварцевым образцом, 3 - с поликоровым образцом, 4 - с образцом из радиопоглощающего материала.
Пример реализации полезной модели приведен на Фиг.2, где 1 - резонатор стоячей волны выполнен из отрезка короткозамкнутого прямоугольного волновода, с узким пазом - 2 под образец - 3 и средства связи резонатора - 4 с устройством измерения резонансной частоты и добротности резонансов. В качестве устройства измерения резонансной частоты и добротности резонансов используется векторный анализатор цепи ZVA-40. В качестве средства связи резонатора с подводящими волноводами (на фиг.2 не указаны) используются отверстия связи - 4. Измеряемый образец 3 вставляется в паз - 2.
Устройство работает следующим образом. Анализатор цепей через волноводы и элементы связи (диафрагмы) подключается к измерительному резонатору. Спектр и добротности собственных колебаний регистрируются анализатором цепи. Для любых собственных резонансных частот на полной электрической длине резонатора укладывается целое число полуволн. При четном числе полуволн установленный в паз резонатора образец оказывается в пучности магнитного поля, при нечетном в пучности электрического. Когда пучность электрического поля располагается в центре резонатора, узкий паз, в который устанавливается образец, оказывается параллелен току в стенках волновода и поэтому паз является неизлучающим и не влияет на картину распределения электромагнитного поля.
Внесение исследуемых диэлектрических образцов в резонатор приводит к изменению значений резонансных частот и добротностей резонансов соответствующего пучностям электрического поля в центре резонатора спектра колебаний. Геометрические размеры резонатора много больше толщины образца, и установка его в паз резонатора незначительно изменяет картину электрического и магнитного полей установившихся колебаний резонатора.
Поэтому анализ влияния материальных параметров образца на резонансные частоты и добротности резонатора можно проводить, используя метод малых возмущений [А.А.Брант, Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах., ФМ ГИЗ, Москва 1963 г., с.93], в соответствии с которым изменение резонансной частоты, при внесении в него малого образца в пучности электрического поля имеет вид:
1
где f0 - собственная частота невозмущенного резонатора, δf=f0-f1 - изменение частоты при внесении диэлектрика, ε' - действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости образца, а
2
представляет собой энергию, запасенную в резонаторе с воздушным заполнением. Если ε' постоянна в объеме образца, то (1) можно представить в виде:
3
где Mε - постоянный коэффициент, зависящий от распределения поля в резонатор и месторасположения образца. Для конструкции прямоугольного резонатора с пазом до половины волновода:
4
где А - ширина волновода, В - высота волновода, L - длина волновода, h - толщина пластинки образца, l - высота паза резонатора.
Для любого типа волны электрического поле в регулярном волноводе представляется произведением [В.В.Никольский, Электродинамика и распространение радиоволн., Наука, Москва 1973 г., с.357]:
5
Где β - это волновое число, которое для резонансных частот предлагаемого устройства имеет вид , n - натуральное число равное числу полуволн, укладывающихся в резонаторе. Откуда (5) для действительной части векторного электрического поля выражается формулой:
6
Подстановка уравнения (6) в (4) с учетом симметрии по у и нечетности n дает
7
В пределе h→0 зависимость от n исчезает и
8
Вычисление комплексной части диэлектрической проницаемости ε” возможно из результатов измерений добротностей свободного и нагруженного образцом резонатора. Так, добротность пустого резонатора выражается формулой
9
где Р - мощность потерь в резонаторе, . При внесении образца диэлектрика добротность изменяется за счет небольших изменений Р, W и ω0 так, что добротность резонатора с образцом будет иметь вид:
10
Если объем внесенной в резонатор части диэлектрика значительно меньше объема резонатора, то - и . С учетом этого, вычитание из дает:
11
Изменение мощности рассеивания связано с комплексной частью диэлектрической проницаемости ε” - образца выражением [В.В.Никольский, Электродинамика и распространение радиоволн., Наука, Москва 1973 г., с.374]:
12
Подстановка этого выражения в 10 с учетом 2 и 4 дает для ε”:
13
В случае, когда паз прорезает волновод полностью, выражение для Мε,n(h)в формулах (3) и (13) принимает вид:
14
Для экспериментального определения комплексной диэлектрической проницаемости был использован резонатор с размерами А=5.5 мм, В=11 мм, L=90 мм, l=5,5 мм. Диафрагмы были выполнены из медной посеребренной фольги с диаметром отверстий 1.5 мм. Резонатор подключался к векторному анализатору ZVA-40.
На Фиг.3 приведены данные:
1 - для резонатора без образца;
2 - с образцом из кварца, ε'=4 при толщине образца 0.5 мм;
3 - с образцом из поликора, ε'=9.6 при толщине образца 0,48 мм;
4 - РПМ в виде пленки аморфного гидрогенезированного углерода с наночастицами никеля на гибкой подложке из арамидной ткани (образец №151-1), при толщине пленки 0,001 мм.
В таблице приведены значения экспериментальных данных и рассчитанных по ним с помощью полученных выше формул величин действительной и мнимой компонент относительной диэлектрической проницаемости радиопоглощающего материала на кевларе, кварца и поликора.
| Таблица | ||||||
| Число полуволн резонанса | 3 | 5 | 7 | 9 | 11 | |
| Центральная частота резонанса, [ГГц] | Ненагруженный резонатор | 14,421 | 15,879 | 17,853 | 20,175 | 22,742 |
| Резонатор, нагруженный кварцем | 14,343 | 15,789 | 17,746 | 20,049 | 22,586 | |
| Резонатор, нагруженный РПМ | 14,212 | 15,617 | 17,528 | 19,751 | 22,105 | |
| Резонатор, нагруженный поликором | 14,189 | 15,586 | 17,484 | 19,685 | 21,986 | |
| Добротность | Ненагруженный резонатор | 2884 | 1985 | 939 | 1834 | 1895 |
| Резонатор, нагруженный кварцем | 2869 | 1974 | 845 | 2005 | 1737 | |
| Резонатор, нагруженный РПМ | 447 | 292 | 264 | 183 | 50 | |
| Резонатор, нагруженный поликором | 2369 | 1952 | 730 | 1646 | 1228 | |
| Вещественная часть комплексной диэлектрической проницаемости | кварц | 2.6 | 3.1 | 3.2 | 3.3 | 3.3 |
| РПМ | 1182 | 1268 | 1403 | 1621 | 1646 | |
| поликор | 6.5 | 7.3 | 8. | 9. | 11.8 | |
| Мнимая часть комплексной диэлектрической проницаемости | РПМ | 604 | 934 | 869 | 1571 | 613 |
Измеренные по описанной выше методике значения относительной комплексной диэлектрической проницаемости образца РПМ 151-1 в диапазоне частот от 14 ГГц до 23 ГГц имеют значения для действительной части от 1180-1600 и для мнимой части от 600 до 1500, что на два порядка больше, чем для действительной части диэлектрической проницаемости поликора и на пять порядков больше, чем для комплексной части диэлектрической проницаемости поликора. Методика измерений является неразрушающей и позволяет проводить быстрые абсолютные измерения комплексной диэлектрической проницаемости образцов РПМ с высокими значениями частей комплексной диэлектрической проницаемости.
Claims (3)
1. Устройство для измерения комплексной диэлектрической проницаемости тонкопленочных магнитодиэлектрических материалов на сверхвысоких частотах, содержащее резонатор в виде короткозамкнутого отрезка регулярного волновода с пазом, устройство измерения резонансных частот и добротностей резонансов, средства связи резонатора с устройством измерения резонансной частоты и добротности резонансов, отличающееся тем, что резонатор включен напроход, а паз, предназначенный для установки в нем исследуемого образца, расположен в середине резонатора перпендикулярно оси волновода и разрезает волновод частично или полностью.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средства связи устройства измерения резонансной частоты и добротности резонансов с резонатором выполнены из волноводов с диафрагмами.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средства связи устройства измерения резонансной частоты и добротности резонансов с резонатором выполнены из коаксиальных волноводов с коаксиально-волноводными переходами.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009129433/22U RU90911U1 (ru) | 2009-07-30 | 2009-07-30 | Устройство для измерения комплексной диэлектрической проницаемости тонкопленочных материалов на сверхвысоких частотах |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009129433/22U RU90911U1 (ru) | 2009-07-30 | 2009-07-30 | Устройство для измерения комплексной диэлектрической проницаемости тонкопленочных материалов на сверхвысоких частотах |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU90911U1 true RU90911U1 (ru) | 2010-01-20 |
Family
ID=42121305
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009129433/22U RU90911U1 (ru) | 2009-07-30 | 2009-07-30 | Устройство для измерения комплексной диэлектрической проницаемости тонкопленочных материалов на сверхвысоких частотах |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU90911U1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2660284C1 (ru) * | 2017-07-19 | 2018-07-05 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный университет" | Способ измерения частотного спектра комплексной диэлектрической проницаемости |
-
2009
- 2009-07-30 RU RU2009129433/22U patent/RU90911U1/ru active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2660284C1 (ru) * | 2017-07-19 | 2018-07-05 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный университет" | Способ измерения частотного спектра комплексной диэлектрической проницаемости |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chakyar et al. | Complex permittivity measurement using metamaterial split ring resonators | |
| Le Floch et al. | Rigorous analysis of highly tunable cylindrical transverse magnetic mode re-entrant cavities | |
| Lobato-Morales et al. | Complex permittivity measurements using cavity perturbation technique with substrate integrated waveguide cavities | |
| Costa et al. | Waveguide dielectric permittivity measurement technique based on resonant FSS filters | |
| Wilson et al. | Shielding-effectiveness measurements with a dual TEM cell | |
| Hasar | Permittivity measurement of thin dielectric materials from reflection-only measurements using one-port vector network analyzers | |
| CN102608431B (zh) | 1GHz～8GHz同轴线-介质圆波导谐振腔及介电参数测试方法 | |
| CN108414839B (zh) | 一种基于fss的谐振法复介电常数测量系统 | |
| CN117630498A (zh) | 基于中心插入金属圆片的圆柱腔的基板介电常数测试装置 | |
| RU90911U1 (ru) | Устройство для измерения комплексной диэлектрической проницаемости тонкопленочных материалов на сверхвысоких частотах | |
| Valagiannopoulos | High selectivity and controllability of a parallel-plate component with a filled rectangular ridge | |
| CN114778955A (zh) | 一种基于悬置微带线的毫米波介电性能测试系统及方法 | |
| UA110214C2 (uk) | Вимірювальний резонатор з хвилями шепочучої галереї | |
| Sebastian et al. | Complex permittivity measurement technique using metamaterial broadside coupled split ring resonator | |
| JP2021181963A (ja) | 分割型直方体共振器およびそれを用いた誘電率の測定方法 | |
| Huang et al. | Quarter-Mode Spoof Localized Surface Plasmons for Differential Microwave Sensing | |
| JP2008045949A (ja) | 電磁気特性測定治具及びその測定方法 | |
| Hajian et al. | Measurements of complex permittivity with waveguide resonator using perturbation technique | |
| Hao et al. | Design of a sensor based on CSRR-derived structures for characterizing permittivity and permeability simultaneously | |
| Bahar et al. | Dielectric properties measurement based on split ring resonator for microfluidic characterization | |
| CN117630048B (zh) | 基于微波法实现波矢分辨的自旋波色散谱测试方法及系统 | |
| Li et al. | Broadband Measurement of Dielectric Properties for Low Loss Materials | |
| Zhuang et al. | An Application of Double-sided Parallel Strip Line Resonator in Dielectric High Frequency Test | |
| Lu et al. | Frequency dependence of complex permittivity of thick samples tested with an end-loaded cylindrical resonant cavity | |
| Makarchuk et al. | Eigen Modes of the GTEM Cell |