UA20863U

UA20863U - Quasi-optical device for measuring permittivity

Info

Publication number: UA20863U
Application number: UAU200609294U
Authority: UA
Inventors: Oleksandr Antonovy Lavrinovych; Mykola Tymofiiovych Cherpak
Original assignee: O Y Usykov Inst Of Radiophysic
Priority date: 2006-08-23
Filing date: 2006-08-23
Publication date: 2007-02-15

Abstract

The proposed quasi-optical device for measuring permittivity of liquid contains a disk dielectric resonator with current-conducting plates, which are arranges on the end surfaces of the disk of the resonator, a microwave oscillator, and a receiver of electromagnetic oscillation. In the resonator, a radial opening is made for the container with tested liquid. The radius (r) of the opening is determined as r ? ?/2, where ? is the wavelength of the electromagnetic oscillation in the liquid.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Корисна модель, що пропонується, відноситься до вимірювальної техніки надвисоких частот (НВЧ) в галузі 2 мікрохвильової техніки для визначення комплексної діелектричної проникності та може знайти застосування у таких галузях народного господарства, де діелектрична проникність твердих, порошкоподібних та рідких речовин або розчинів обумовлює їх якість, чи можливість використання у різноманітних пристроях.The proposed useful model refers to the measuring technique of ultra-high frequencies (UHF) in the field of 2 microwave technology for the determination of complex dielectric constant and can find application in such branches of the national economy, where the dielectric constant of solid, powdery and liquid substances or solutions determines their quality, or the possibility of use in various devices.

Знання дійсної є та уявної є" частин діелектричної проникності є-є-іє досліджуваної речовини є дуже важливим. Воно надає можливість визначити габаритні розміри розроблюваних пристроїв, прогнозувати їх 70 чутливість та частотний діапазон використання. Важливим параметром діелектрометра є об'єм речовини необхідний для вимірювання дійсної та уявної частин діелектричної проникності, а також для визначення динаміки вказаних величин в залежності від частоти, тиску, температури або зміни властивостей досліджуваної речовини, наприклад, при дослідженні потоку рідини чи сипучої речовини. Мінімальна кількість необхідної для дослідження речовини може бути вагомим фактором в біологічних та медичних дослідженнях. т Останнім часом великий розвиток отримали надвисокочастотні (НВЧ) методи для точного вивчення діелектричних властивостей рідких матеріалів, включаючи різні біооб'єкти, що містять воду |(|Ахадов Я.Ю.Knowledge of the real and imaginary parts of the dielectric constant of the substance under investigation is very important. It provides an opportunity to determine the overall dimensions of the devices being developed, to predict their sensitivity and frequency range of use. An important parameter of the dielectrometer is the volume of the substance required for measurement the real and imaginary parts of the dielectric constant, as well as to determine the dynamics of the specified values depending on the frequency, pressure, temperature or changes in the properties of the substance under study, for example, when studying the flow of a liquid or a bulk substance. The minimum amount of a substance required for the study can be a significant factor in biological and medical research. t Recently, ultrahigh-frequency (UHF) methods for the accurate study of the dielectric properties of liquid materials, including various bioobjects containing water, have received great development |(|Akhadov Ya.Yu.

Дизлектрические свойства чистьїх жидкостей, -М: Изд-во Моск. Авиационного института, 1999. - 412с). Саме інформативність діапазону надвисоких частот (НВЧ) дає можливість реєструвати слабкі ефекти у водних розчинах, що пояснюється істотною відмінністю характеристик взаємодії "вільних і "зв'язаних" молекул" води з 20 електромагнітним випромінюванням. У разі малих концентрацій водні розчини є діелектриками з великими втратами (Юд5а1), для яких стандартні методи вимірювання, як правило, неприйнятні (Брандт А.А. Исследование дизлектриков на сверхвьісоких частотах. -М: Физматгиз, 1963. - 404с; Шестопалов В.П., Яцук К.П. Методь! измерения дизлектрических проницаемостей вещества на сверхвьсоких частотах /Успехи физ. наук. - 1961. - 74. - б.7121-755.|. 25 З укороченням довжини хвилі для дослідження різних речовин з діелектричною проникністю та тангенсом кута ЩО діелектричних втрат у діапазоні частот 20-300ГГЦ більш широке застосування знайшли відкриті системи резонаторів, що володіють достатньою чутливістю, зручністю в експлуатації. Добротність їх може досягати достатньо високих значень, що дозволяє з великою точністю виміряти малі значення втрат. З цієї точки зору все с більш зручними стають методи вимірювання, засновані на квазіоптичному розповсюдженні хвиль. Серед даного 30 типу систем резонаторів особливо виділяються квазіоптичні діелектричні резонатори (КДР) з хвилями "шШепочучої «(О галереї", що дозволяють працювати у достатньо широкому діапазоні довжин хвиль |Дизлектрические резонаторьі. со /М.Е. Ильченко, В.Ф. Взятьішев, Л.Г. Гасанов и др. /Под ред. М.Е. Ильченко. -М: Радио и связь, 1989. - 328с..Dielectric Properties of Pure Liquids, - M: Izd-vo Moscow. Aviation Institute, 1999. - 412p). It is the informativeness of the ultra-high frequency (UHF) range that makes it possible to register weak effects in aqueous solutions, which is explained by the significant difference in the characteristics of the interaction of "free and "bound" water molecules with electromagnetic radiation. In the case of low concentrations, aqueous solutions are dielectrics with large losses (Yud5a1), for which standard methods of measurement are generally unacceptable (Brandt A.A. Issledovanie dizlektrikov na sverhvysokykh frequenci. - M: Fizmatgiz, 1963. - 404s; Shestopalov V. P., Yatsuk K.P. Method of measuring the dielectric permittivity of substances at ultrahigh frequencies / Uspekhi fiz. nauk. - 1961. - 74. - p. 7121-755.|. 25 With a shortening of the wavelength for the study of various substances with dielectric permeability and the tangent of the angle ЧО of dielectric loss in the frequency range of 20-300 GHz, open resonator systems with sufficient sensitivity and ease of use have found wider application. Their Q-value can reach sufficiently high values, which allows measuring small loss values with great accuracy. From this point measurement methods based on quasi-optical wave propagation are becoming more and more convenient. electric resonators (KDR) with "whispering" waves (O gallery), which allow working in a sufficiently wide range of wavelengths | Dielectric resonators. with /M.E. Ilchenko, V.F. Vzyatishev, L.G. Hasanov and others / Ed. M.E. Ilchenko. - M: Radio and communication, 1989. - 328 p..

Відомо, що для дослідження матеріалів з діелектричною проникністю 5-1-100 та тангенсом кута «(2It is known that for the study of materials with a dielectric constant of 5-1-100 and a tangent of the angle "(2

Зз5 діелектричних втрат ю5-(67/6)-107 у діапазоні частот 20-300ГГц доцільно використовувати в діеєлектрометрах с вимірювальний діелектричний резонатор з азимутальними коливаннями |Дизлектрические резонаторь! /М.Е.Зз5 dielectric losses ю5-(67/6)-107 in the frequency range of 20-300 GHz it is advisable to use a measuring dielectric resonator with azimuthal oscillations in dielectrometers | Dielectric resonator! /M.E.

Ильченко, В.Ф. Взятьішев, Л.Г. Гассанов и др.; Под ред. М.Е. Ильченко. -М: Радио и связь, 1989. - 32в8с.| Вибір матеріалу для виготовлення вимірювального діелектричного резонатора залежить від величин в та в матеріалу, що досліджується. Якщо досліджуються речовини з малими втратами (9 54107 та діелектричними ч 40 проникностями є 10, то й матеріал для виготовлення вимірювальне резонатора доцільно вибрати з подібними - с характеристиками: наприклад, діелектричній дисковий резонатор з лейкосапфіру забезпечує похибку при у» вимірюванні є - 00595, а дб - 1905. Високі точності в таких резонаторах обумовлені їх високою власною добротністю Со в міліметровому діапазоні хвиль (00710? при кімнатній температурі та Оо-108-109 при температурі рідкого гелію). Недоліками цього матеріалу є анізотропія діелектричної проникності лейкосапфіру (єї кю - 11.6; 51 - 9.65), що необхідно брати до уваги в прецизійних вимірюваннях, а також труднощі при обробці цього матеріалу, його твердість дорівнює 9, а питома вага - 4, тому обробку проводять алмазними інструментами. (ав) Відомим є діелектричний резонатор, який дозволяє вимірювати діелектричну проникність рідин, газів та со сипучих матеріалів з малими втратами (Ас. СССР Мо1107072 МКИЗ 018 27/26; ОК 7/10, 1984), який 5р Виготовлено у вигляді циліндра із високодобротного діелектрика з осьовим отвором, кільцевими канавками по ме) боковій поверхні, з'єднаними з осьовим отвором радіальними проходами. Недоліками цього пристрою є відносна с» складність резонатора, велика кількість рідини або газу для повного занурення резонатора в досліджувану речовину, розміри резонатора повинні задовольняти певним умовам, що пов'язують радіус резонатора з довжиною хвилі та діелектричними проникностями матеріалу резонатора та досліджуваної речовини.Ilchenko, V.F. Vzyatishev, L.G. Hassanov and others; Ed. M.E. Ilchenko. - M: Radio and communication, 1989. - 32v8s.| The choice of material for the manufacture of a measuring dielectric resonator depends on the values of v and v of the material under investigation. If substances with low losses (9 54107 and dielectric h 40 permeabilities are 10) are being studied, then it is advisable to choose the material for the manufacture of the measuring resonator with similar characteristics: for example, the dielectric disc resonator made of leucosapphire provides an error in measurement of - 00595, and db - 1905. The high accuracy in such resonators is due to their high inherent Q factor Co in the millimeter wave range (00710? at room temperature and Oo-108-109 at the temperature of liquid helium). The disadvantages of this material are the anisotropy of the dielectric constant of leucosapphire (its Q is 11.6 ; 51 - 9.65), which must be taken into account in precision measurements, as well as the difficulties in processing this material, its hardness is 9, and the specific gravity is 4, so the processing is carried out with diamond tools. (ав) A dielectric resonator is known, which allows to measure the dielectric constant of liquids, gases and loose materials with low losses (AS. USSR Mo1107072 MKIZ 018 27/2 6; OK 7/10, 1984), which is made in the form of a cylinder of high-quality dielectric with an axial hole, annular grooves on the side surface, connected to the axial hole by radial passages. The disadvantages of this device are the relative complexity of the resonator, a large amount of liquid or gas for complete immersion of the resonator in the substance under study, the dimensions of the resonator must satisfy certain conditions relating the radius of the resonator to the wavelength and the dielectric constants of the material of the resonator and the substance under study.

Діелектрична проникність речовини має бути меншою від проникності матеріалу резонатора.The dielectric permeability of the substance must be lower than the permeability of the resonator material.

Відомий пристрій для вимірювання параметрів дієлектричних матеріалів (Ас. СССР Мо991828 МКИ? сот с 27/26, 1985). Він має вимірювальний резонатор у вигляді діелектричного диску з вирізом, поєднаного з надвисокочастотним генератором, та індикатор. Виріз може бути виконаний у вигляді радіальної щілини або отвору, вісь якого паралельна осі діелектричного диску, окрім цього пристрій має механізм, що змінює ширину бо радіальної щілини. У вимірювальному діелектричному резонаторі збуджується хвиля типу ,шепочучої галереї", котра двократно вироджена по азимутальному індексу. При розміщенні досліджуваного діелектричного матеріалу в щілині знімається виродження власних коливань, яке властиве резонаторам біжучої хвилі. Кожна з резонансних частот вимірювального резонатора розщеплюється на дві стоячі хвилі, одна з них має пучність поперечного (електричного) поля, а друга - вузол того ж поля в місці знаходження нерегулярності. Недоліком цього пристрою бБ є необхідність виготовлення вимірювальних зразків за розмірами щілини або отвору у резонаторі, досить великі розміри зразків, інакше необхідно враховувати повітряні зазори у щілині чи отворі, що знижує точність вимірювання діелектричної проникності. Не можна на цьому пристрої вимірювати дійсну та уявну частини діелектричної проникності рідин, сипучих та газоподібних речовин.A well-known device for measuring the parameters of dielectric materials (Association of the USSR Mo991828 MKY? sot p 27/26, 1985). It has a measuring resonator in the form of a dielectric disk with a cutout, connected to a high-frequency generator, and an indicator. The cutout can be made in the form of a radial slit or a hole, the axis of which is parallel to the axis of the dielectric disk, in addition, the device has a mechanism that changes the width of the radial slit. In the measuring dielectric resonator, a wave of the "whispering gallery" type is excited, which is doubly degenerate in terms of the azimuthal index. When the studied dielectric material is placed in the gap, the degeneracy of its own oscillations, which is characteristic of traveling wave resonators, is removed. Each of the resonant frequencies of the measuring resonator is split into two standing waves, one one of them has the antagonism of the transverse (electric) field, and the second is the node of the same field at the location of the irregularity. The disadvantage of this BB device is the need to manufacture measuring samples according to the dimensions of the gap or hole in the resonator, the sample sizes are quite large, otherwise it is necessary to take into account the air gaps in gap or hole, which reduces the accuracy of the dielectric constant measurement This device cannot measure the real and imaginary parts of the dielectric constant of liquids, bulk and gaseous substances.

Найбільш близьким за технічною суттю є квазіоптичний діглектрометр Патент України Мо59568 А МКИ", 501К27/26, 2003), який містить вимірювальний діелектричний резонатор, поєднаний з надвисокочастотним генератором для збудження хвиль типу ,шепочучої галереї" та приймачем. У резонаторі, затиснутому двома металевими пластинками з отворами, створена канавка з концентричними боковими поверхнями так, щоб досліджувана речовина, що заповнює цю канавку, взаємодіяла з полем хвилі ,шепочучої галереї", які збуджуються діелектричними хвилеводами. Канавка заповнена вимірювальною речовиною фіксується знизу дном канавки, а з 70 верху - одною з металевих пластин. Спектр резонансних частот кільцевого діелектричного резонатора вимірюється за схемою ,іна проходження" при слабкому зв'язку. Експериментальне вимірюються частоти та добротності коливань, що спостерігаються, визначається їх тип, а потім виміряні частоти та добротності порівнюються з теоретичними.The closest in technical essence is the quasi-optical diglectrometer (Patent of Ukraine Mo59568 А MKY", 501K27/26, 2003), which contains a measuring dielectric resonator connected to an ultra-high-frequency generator for exciting waves of the "whispering gallery" type and a receiver. In the resonator, clamped by two metal plates with holes, a groove with concentric side surfaces is created so that the substance to be studied, filling this groove, interacts with the wave field of the "whispering gallery", which are excited by dielectric waveguides. The groove filled with the measuring substance is fixed from below by the bottom of the groove, and from the top 70 - with one of the metal plates. The spectrum of resonant frequencies of the ring dielectric resonator is measured according to the "in-pass" scheme with weak coupling. The frequencies and Q-factors of the observed oscillations are experimentally measured, their type is determined, and then the measured frequencies and Q-factors are compared with the theoretical ones.

Недоліком цього пристрою є неможливість його використання для дослідження рідин малих об'ємів, до яких 75 Можуть відноситись біологічні об'єкти та різні бінарні з'єднання та які мають великі значення діелектричних втрат. При роботі з даним типом резонатора досліджуваній речовині надається форма диска (кільця). В цьому випадку, при роботі з рідкими діелектриками важко забезпечити однорідність досліджуваної речовини, що виміряється, по товщині, яка порушується унаслідок поверхневого натягнення або утворення пухирців на поверхні в області поля. Ці труднощі особливо виразні у разі рідин, які мають високі діелектричні втрати (наприклад, 2о вода, ацетон та інші). Наявність навіть дуже маленького пухирця повітря в канавці з рідиною може привести до великих погрішностей, що унеможливлює її досліджування у динамичному режимі.The disadvantage of this device is the impossibility of its use for the study of liquids of small volumes, which may include biological objects and various binary compounds and which have large values of dielectric losses. When working with this type of resonator, the substance under study is given the shape of a disk (ring). In this case, when working with liquid dielectrics, it is difficult to ensure the homogeneity of the measured substance in terms of thickness, which is disturbed due to surface tension or the formation of bubbles on the surface in the field region. These difficulties are especially pronounced in the case of liquids that have high dielectric losses (for example, 2o water, acetone, and others). The presence of even a very small air bubble in the groove with the liquid can lead to large errors, which makes it impossible to study it in dynamic mode.

В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення квазіоптичного діелектрометра шляхом взаємодії хвилі "шепочучої галереї" максимальної амплітуди поля з досліджуваною речовиною, що забезпечить підвищення точності вимірювання та розширення діапазону значень діелектричних втрат.The basis of a useful model is the task of improving the quasi-optical dielectrometer through the interaction of a "whispering gallery" wave of maximum field amplitude with the substance under investigation, which will ensure an increase in measurement accuracy and an expansion of the range of dielectric loss values.

Поставлена задача вирішується тим, що у квазіоптичному діелектрометрі, що містить вимірювальний діелектричний резонатор, виконаний у вигляді диска, з двома торцевими провідними пластинами, но) надвисокочастотний генератор для збудження хвиль типу "шепочучої галереї" та приймач, згідно корисної моделі, у резонаторі має місце радіальний отвір радіусом гоклріг (де Хр - Довжина хвилі у рідині) для розміщення в ньому ємності з досліджуваною речовиною. Резонатор та одна з торцевих провідних пластин можуть мати «9 співвісні отвори, з'єднані з радіальним отвором і розташованими на відстані г1-К/2 (де К - радіус резонатора) від бокової поверхні резонатора, а ємність може бути виконана з можливістю переміщення досліджуваної ї-о речовини. (ее)The problem is solved by the fact that in a quasi-optical dielectrometer containing a measuring dielectric resonator made in the form of a disc with two end conductive plates, but) an ultra-high-frequency generator for exciting waves of the "whispering gallery" type and a receiver, according to a useful model, the resonator takes place a radial opening with a radius of hocklrig (where Xr is the wavelength in the liquid) for placing a container with the substance under study in it. The resonator and one of the end conductive plates can have "9 coaxial holes, connected to a radial hole and located at a distance g1-K/2 (where K is the radius of the resonator) from the side surface of the resonator, and the capacity can be made with the possibility of moving the test i-o substances. (uh)

Суть корисної моделі пояснюється ілюстраціями: на Фіг.1 зображено діелектрометр за п. 1; на Фіг.2 зображено діелектрометр за п. 2; на Фіг.3 показано порівняння частотного зсуву для досліджуваних рідин о (етиловий спирт, ацетон, вода), розташованих у ємності, відносно ємності з повітряним заповненням. смThe essence of the useful model is explained by illustrations: Fig. 1 shows the dielectrometer according to item 1; Fig. 2 shows the dielectrometer according to item 2; Fig. 3 shows a comparison of the frequency shift for the investigated liquids (ethyl alcohol, acetone, water) located in the container, relative to the container with air filling. see

Запропонований квазіоптичний діелектрометр має діелектричний резонатор 1, з радіальним отвором 2 радіусом гоклрі/2 (де Хр довжина хвилі у рідині) для розміщення в ньому ємності З з досліджуваною речовиною, який затиснуто між двома металевими пластинами 4. Для збудження хвиль "шепочучої галереї" у діелектричному « резонаторі використовуються дзеркальні хвилеводи 5 та 6, які з одного боку з'єднані з генератором (хвилевод 5), а з другого - з приймачем (хвилевод 6). Висоту п резонатора 1 вибрано такою, щоб збуджувалися лише З с коливання з аксіальним числом 1, це виконується за умови | «у,, де Ху - довжина хвилі, на якій працює у» діелектрометр, а радіус вимірювального резонатора К-),/2пл, де п - число довжин хвиль по периметру резонатора. Ємність З може бути виконана з можливістю дослідження речовини, як фіксованого об'єму за п. 1 формули, так і для проточної речовини через отвори у резонаторі 7 та металевій пласгині 8, розташовані на відстані гі-В/2 (де В- радіус резонатора) від бокової поверхні резонатора і з'єднані з радіальним отвором 2 у о разі використання формули за п. 2. о Запропонований пристрій працює таким чином: у діелектричному резона горі 1 з дзеркальними діелектричними хвилеводами 5 та 6 збуджуються хвилі "шепочучої галереї". Спектр резонансних частот резонатора 1 вимірюється со за схемою ,на проходження" при слабкому зв'язку. Експериментальне вимірюються частоти та добротностіThe proposed quasi-optical dielectrometer has a dielectric resonator 1, with a radial opening 2 with a radius of hclr/2 (where Xr is the wavelength in the liquid) for placing in it a container C with the substance under investigation, which is clamped between two metal plates 4. To excite the waves of the "whispering gallery" in dielectric resonator uses mirror waveguides 5 and 6, which are connected to the generator (waveguide 5) on one side, and to the receiver (waveguide 6) on the other. The height p of the resonator 1 is chosen so that only Z s oscillations with an axial number of 1 are excited, this is done under the condition | "y,, where Hu is the wavelength at which the dielectrometer works, and the radius of the measuring resonator is K-),/2pl, where n is the number of wavelengths along the perimeter of the resonator. The capacity C can be made with the possibility of studying the substance, both a fixed volume according to item 1 of the formula, and for a flowing substance through holes in the resonator 7 and the metal plate 8, located at a distance of gi-V/2 (where B is the radius of the resonator ) from the side surface of the resonator and connected to the radial hole 2 in the case of using the formula according to item 2. The proposed device works as follows: in the dielectric resonator mountain 1 with mirror dielectric waveguides 5 and 6, "whispering gallery" waves are excited. The spectrum of resonant frequencies of resonator 1 is measured according to the "pass" scheme with weak coupling. Frequencies and Q-factors are measured experimentally.

Ф 20 коливань, що спостерігаються, визначається їх тип, а потім виміряні частоти та добротності порівнюються з відповідними величинами для резонатора - зразками, виміряними на цьому ж діелектрометрі, або порівнюються з с» теоретично розрахованими, що дає можливість, в подальшому, отримувати діелектричні характеристики досліджуваних речовин.Ф 20 of the observed oscillations, their type is determined, and then the measured frequencies and Q-factors are compared with the corresponding values for the resonator - samples measured on the same dielectrometer, or compared with the theoretically calculated ones, which makes it possible, in the future, to obtain dielectric characteristics investigated substances.

Запропонований квазіоптичний діелектрометр було виготовлено та випробувано у діапазоні 36,5-41,0ГГц, діаметр резонатора дорівнював 78мм, його висота - ЇЙ - 7,2мм, внутрішній діаметр ємності для дослідження с речовини змінювався від 0,Змм до 2,б6мм. Найменший внутрішній діаметр ємності з фторопласту забезпечував мінімальну кількість досліджуваної речовини, що досить вагомо для біофізичних та медико-біологічних досліджень.The proposed quasi-optical dielectrometer was manufactured and tested in the range of 36.5-41.0 GHz, the diameter of the resonator was equal to 78 mm, its height - ІЙ - 7.2 mm, the internal diameter of the container for the study of substance c varied from 0.3 mm to 2.6 mm. The smallest inner diameter of the container made of fluoroplastic provided the minimum amount of the investigated substance, which is quite significant for biophysical and medical-biological research.

Квазіоптичний діелектрометр було випробувано на рідинах - вода, етиловий спирт, ацетон, в тому числі, в 60 динамічному стані - при проходженні рідини через ємність розташовану у резонаторі.The quasi-optical dielectrometer was tested on liquids - water, ethyl alcohol, acetone, including, in a 60 dynamic state - when the liquid passes through a container located in the resonator.

Claims

The formula of the invention is 1. A quasi-optical dielectrometer containing a dielectric resonator, made in the form of a disk, with two end conductive plates, an ultra-high-frequency generator for exciting waves of the "whispering gallery" type

and the receiver, which differs in that the resonator has a radial opening with a radius xp (where 4, - p is the wavelength in the liquid) for placing a container with the substance under investigation in it.

2. Dielectrometer according to claim 1, which differs in that the resonator and one of the end conductive plates have coaxial holes, connected to a radial hole and located at a distance -ВвИ/? (where K is the radius 1: of the resonator) from the side surface of the resonator, and the container is made with the possibility of moving the substance under study. - (ze) (Se) (ee) "c) c - c i" ime) ("c) (ee) FO syu" p 60 b5