UA4983U

UA4983U - Quasi-optical permittivity meter

Info

Publication number: UA4983U
Application number: UA20040604448U
Authority: UA
Inventors: Олександр Антонович Лавринович; Александр Антонович Лавринович; Тамара Олександрівна Смирнова; Микола Тимофійович Черпак; Николай Тимофеевич Черпак
Original assignee: Інститут Радіофізики Та Електроніки Ім. О.Я.Усикова Національної Академії Наук України; Институт Радиофизики И Электроники Им. О.Я. Усикова Национальной Академии Наук Украины
Priority date: 2004-06-08
Filing date: 2004-06-08
Publication date: 2005-02-15

Abstract

The proposed quasi-optical permittivity meter contains a measuring dielectric resonator made as a disk with a radial slot, a microwave electromagnetic oscillator, a receiver, and a plate-shaped reflector of electromagnetic oscillations.

Description

Корисна модель, що пропонується, відноситься до вимірювальної техніки надвисоких частот (НВУ) в галузі 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 microwave technology for determining the complex dielectric constant and can find application in such branches of the national economy, where the dielectric constant of solid, powder and liquid substances or solutions determines their quality, or the possibility of use in various devices.

Знання дійсної єї та уявної є" частин діелектричної проникності є-є' іє" досліджуваної речовини дає можливість визначити габаритні розміри розроблюваних пристроїв, прогнозувати їх 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.Knowledge of the real and imaginary parts of the dielectric constant of the substance under study makes it possible 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 necessary for measuring the real and imaginary parts of the dielectric constant, as well as for determining 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 bulk substance. The minimum amount of substance required for research can be a significant factor in biological and medical research.

Відомо, що для дослідження матеріалів з діелектричною проникністю є/-1-100 та тангенсом діелектричних втрат дб-(є"/є)с107 у діапазоні частот 20-300ГГц доцільно використовувати в діелектрометрах вимірювальний діелектричний резонатор з азимутальними коливаннями (Дизлектрические резонаторь /М.Е. Ильченко, В.Ф.It is known that for the study of materials with a dielectric constant of Е/-1-100 and a dielectric loss tangent of db-(Е"/Е)С107 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. Ilchenko, V.F.

Взятьішев, Л.Г. Гассанов и др.; Под ред. М.Е. Яльченко. - М.: Радио и связь, 1989. - 328с.) Вибір матеріалу для виготовлення вимірювального діелектричного резонатора залежить від величин є та є" матеріалу, що досліджується. Якщо досліджуються речовини з малими втратами щ4о-103 та діелектричними проникностями 5210, то й матеріал для виготовлення вимірювальне резонатора доцільно вибрати з подібними характеристиками: наприклад, діелектричній дисковий резонатор з лейкосапфіру забезпечує похибку при вимірюванні є-0,0590, а де-195. Високі точності в таких резонаторах обумовлені їх високою власною добротністюVzyatishev, L.G. Hassanov and others; Ed. M.E. Yalchenko. - M.: Radio and communication, 1989. - 328 p.) The choice of material for the manufacture of a measuring dielectric resonator depends on the values \u200b\u200bof the material under investigation. for the manufacture of a measuring resonator, it is advisable to choose a resonator with similar characteristics: for example, a dielectric disc resonator made of leucosapphire provides a measurement error of 0.0590 and 195. High accuracy in such resonators is due to their high inherent Q factor

Оо в міліметровому діапазоні хвиль (Оо-105 при кімнатній температурі та Оо-108-109 при температурі рідкого гелію). Недоліками цього матеріалу є анізотропія діелектричної проникності лейкосапфіру (єП-11,6; є! -9,6;), 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.Oo in the millimeter wave range (Oo-105 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 (eP-11.6; e! -9.6;), which must be taken into account in precision measurements, as well as difficulties in processing this material, its hardness is 9, and the specific gravity is - 4, so processing is carried out with diamond tools.

Відомий діелектричний резонатор, який дозволяє вимірювати діелектричну проникність рідин, газів та сипучих матеріалів з малими втратами (Ас. СССР Ме1107072. МКИЗ СО1В827/26; 2О1К7/10, 1984), який виготовлено у вигляді циліндра із високодобротного діелектрика з осьовим отвором, кільцевими канавками по боковій поверхні, з'єднаними з осьовим отвором радіальними проходами. Недоліками цього пристрою є відносна 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. Діелектрична проникність речовини має бути меншою від проникності матеріалу резонатора.A well-known dielectric resonator that allows measuring the dielectric constant of liquids, gases and bulk materials with low losses (Ass. USSR Me1107072. MKIZ СО1В827/26; 2О1К7/10, 1984), which is made in the form of a cylinder of high-quality dielectric with an axial hole and annular grooves on the side surface, connected to the axial opening by radial passages. The disadvantages of this device are the relative complexity of the resonator, a large amount of liquid or gas to fully immerse 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. The dielectric permeability of the substance must be lower than the permeability of the resonator material.

Відомий пристрій для вимірювання параметрів діелектричних матеріалів (Ас. СССР Ме991828, МКИ" сО1827/26, 1985). Цей пристрій 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 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 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 (Ass. SSSR Me991828, MKY" сО1827/26, 1985). This device 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 hole, the axis of which is parallel to the axis of the dielectric disc, in addition to this, the device has a mechanism that changes the width of the radial gap. In the measuring dielectric resonator, a wave of the "whispering gallery" type is excited, which is doubly degenerate according to the azimuthal index. When the investigated dielectric material is placed in the gap, the degeneracy of its own is removed oscillations, which is characteristic of traveling wave resonators. Each of the resonant frequencies of the measuring resonator is split into two standing waves, one of which 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 device is the need to manufacture measuring zra depending on the size 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 the gap or hole, which reduces the accuracy of the dielectric constant measurement. It is not possible to measure the real and imaginary parts of the dielectric constant of liquids, bulk and gaseous substances on this device.

Найбільш близьким за технічною суттю є квазіоптичний діелектрометр (ас. СССР Мо1626136, МКИ»5 со1Мм22/00, 201827/26, 1991), який має діелектричний резонатор у вигляді диску з двома щілинами, виконаними вздовж радіусів, починаючи від бокової поверхні резонатора. У резонаторі за допомогою діелектричного хвилевода збуджується хвиля типу "шепочучої галереї", яка є двократно виродженою по азимуту. Неоднорідність у вигляді щілини, заповненою повітрям, приводить до розщіплення кожного резонансного піка на два. Щілина, яка виконана під кутом О-л/2 відносно першої щілини, компенсує розщіплення, визване першою щілиною з повітряним заповненням, на резонансах з непарним п, де п-2т--1 - число довжин хвиль по периметру резонатора (т:-0, 1, ..). Розміщення досліджуваних матеріалів у одній із щілин приводить до розщеплення резонансів з непарним п, розмір розщеплення при цьому визначається тільки параметрами досліджуваного матеріалу.The closest in terms of technical essence is the quasi-optical dielectrometer (as. USSR Mo1626136, MKI»5 со1Мм22/00, 201827/26, 1991), which has a dielectric resonator in the form of a disk with two slits made along the radii, starting from the side surface of the resonator. A "whispering gallery" type wave is excited in the resonator using a dielectric waveguide, which is doubly degenerate in azimuth. Inhomogeneity in the form of a gap filled with air leads to the splitting of each resonant peak into two. The slit, which is made at an angle О-l/2 relative to the first slit, compensates for the splitting caused by the first slit with air filling at resonances with odd n, where n-2t--1 is the number of wavelengths along the perimeter of the resonator (t:-0 , 1, ..). Placement of the studied materials in one of the slits leads to the splitting of resonances with an odd n, the size of the splitting is determined only by the parameters of the studied material.

Недоліком цього пристрою є неможливість вимірювання діелектричної проникності рідинних, сипучих та газоподібних речовин, матеріалів, які мають товщину більшу за ширину щілини у резонаторі, а також зниження чутливості пов'язаної з розщепленням резонансів.The disadvantage of this device is the impossibility of measuring the dielectric constant of liquid, bulk and gaseous substances, materials that have a thickness greater than the width of the gap in the resonator, as well as a decrease in sensitivity associated with the splitting of resonances.

В основу запропонованого пристрою поставлена задача: удосконалення квазіоптичного діелектрометра шляхом розміщення досліджуваного зразка в області максимуму каустики поля, що забезпечує точність та широкий діапазон вимірювання значень дійсної та уявної частин діелектричної проникності є речовин у різному агрегатному стані.The basis of the proposed device is the task of improving the quasi-optical dielectrometer by placing the sample under study in the region of the caustic maximum of the field, which ensures accuracy and a wide range of measurement of the values of the real and imaginary parts of the dielectric constant of substances in different aggregate states.

Поставлена задача розв'язується таким чином: у квазіоптичному діелектрометрі, що містить вимірювальний діелектричний резонатор, виконаний у вигляді диска з радіальною щілиною, поєднаний з надвисокочастотним генератором для збудження хвиль типу шепочучої галереї та приймачем, у радіальній щілині розташовано відбивач у вигляді пластини із провідного матеріалу, а на відстані Хп (де Хп - довжина хвилі шепочучої галереї у резонаторі) від бокової поверхні має місце отвір для розміщення у ньому ємності з досліджуваною речовиною.The problem is solved as follows: in a quasi-optical dielectrometer containing a measuring dielectric resonator made in the form of a disk with a radial gap, connected to an ultra-high-frequency generator for exciting waves of the whispering gallery type and a receiver, a reflector in the form of a plate of conductive material is located in the radial gap , and at a distance Xp (where Xp is the wavelength of the whispering gallery in the resonator) from the side surface there is a hole for placing a container with the substance under study.

Ємність виконана з можливістю переміщення досліджуваної речовини.The container is made with the possibility of moving the substance under study.

Суть корисної моделі пояснюється ілюстраціями: на Фіг.1 зображено схему діелектрометра; на Фіг.2 показано порівняння амплітудно-частотної залежності коливань хвиль шепочучої галереї у діелектричному резонаторі з ємністю, заповненою повітрям або водою; на Фіг.3 показана концентраційна залежність діелектричної проникності етилового спирту у воді, який розташований у отворі ємності, що використовується для дослідження твердих, сипучих, рідинних, або газоподібних речовин.The essence of the useful model is explained by illustrations: Fig. 1 shows the scheme of the dielectrometer; Fig. 2 shows a comparison of the amplitude-frequency dependence of whispering gallery wave oscillations in a dielectric resonator with a container filled with air or water; Figure 3 shows the concentration dependence of the dielectric constant of ethyl alcohol in water, which is located in the opening of a container used for the study of solid, loose, liquid, or gaseous substances.

Запропонований квазіоптичний діелектрометр містить у собі діелектричний вимірювальний резонатор 1 з радіальною щілиною 2, в якій розташовано відбивач у вигляді пластини із провідного матеріалу 3, та отвором 4 для розміщення ємності 5 з досліджуваною речовиною. У ємності 5 виконано отвір 6 для дослідження речовини, як фіксованого об'єму (отвір 6 є глухим), так і для проточної речовини (отвір 6 є крізним). Для збудження хвиль шепочучої галереї у діелектричному резонаторі використовуються дзеркальні хвилеводи 7 з поглинаючим навантаженням 8, які з одного боку з'єднані з генератором 9, а з другого - з приймачем 10. Висоту І резонатора 1 вибрано такою, щоб збуджувалися лише коливання з аксіальним числом 1, це виконується за умови І «Ллп, Де Хлп - довжина хвилі, на якій працює діелектрометр, а радіус вимірювального резонатора Н-Хи/2гпл, де п - число довжин хвиль по периметру резонатора. Центр отвору 4 знаходиться на відстані лп від бокової поверхні резонатора.The proposed quasi-optical dielectrometer contains a dielectric measuring resonator 1 with a radial gap 2, in which a reflector in the form of a plate of conductive material 3 is located, and an opening 4 for placing a container 5 with the substance under investigation. A hole 6 is made in the container 5 for the study of the substance, both of a fixed volume (the hole 6 is blind) and for a flowing substance (the hole 6 is through). To excite the whispering gallery waves in the dielectric resonator, mirror waveguides 7 with an absorbing load 8 are used, which are connected on one side to the generator 9, and on the other to the receiver 10. The height I of the resonator 1 is chosen so that only oscillations with an axial number are excited 1, this is done under the condition I "Llp, Where Chlp is the wavelength at which the dielectrometer works, and the radius of the measuring resonator is H-Xy/2gpl, where n is the number of wavelengths along the perimeter of the resonator. The center of hole 4 is at a distance of lp from the side surface of the resonator.

Діаметр отвору 6 дорівнює діаметру вимірюваної речовини або ємності 5, в якій знаходиться за п.1, або прокачується за п.2 досліджувана речовина. Для виготовлення резонатора доцільно вибирати матеріал з малими діелектричними втратами (щ4о-103), величина дійсної частини діелектричної проникності (є) може бути довільною, механічні характеристики краще такі, що дозволяють обробку резонатора на механічному верстаті.The diameter of the hole 6 is equal to the diameter of the measured substance or the container 5 in which the test substance is located according to item 1 or is pumped according to item 2. For the manufacture of the resonator, it is advisable to choose a material with low dielectric losses (sh4o-103), the value of the real part of the dielectric constant (e) can be arbitrary, the mechanical characteristics are better such that they allow the processing of the resonator on a mechanical machine.

Запропонований пристрій працює таким чином: у діелектричному вимірювальному резонаторі 1 з дзеркальними діелектричними хвилеводами 7 збуджуються хвилі шепочучої галереї. Спектр резонансних частот резонатора 1 вимірюється за схемою "на проходження" при слабкому зв'язку. Експериментальне вимірюються частоти (після корегування відбивачем) та добротності 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 теоретично розрахованими.The proposed device works as follows: in the dielectric measuring resonator 1 with mirror dielectric waveguides 7, whispering gallery waves are excited. The spectrum of resonant frequencies of resonator 1 is measured according to the "through" scheme with a weak connection. Experimentally, the frequencies (after correction by the reflector) and Q-factors of the observed oscillations are measured, 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 theoretically calculated ones.

Запропонований квазіоптичний діелектрометр був виготовлений та випробуваний у діапазоні 37-53ГГЦ, діаметр резонатора дорівнював 78мм, його висота - І -7,2мм, радіальна щілина шириною 5:0,3мм заповнена відбивачем такої ж товщини з електролітичної міді, вимірювальний отвір на відстані 7. від периметра резонатора був співвісний з висотою резонатора та змінним діаметром від 0,5 до 4мм, в залежності від вимірюваної речовини, або розміру ємності з досліджуваною речовиною. Найменший внутрішній діаметр ємності з фторопласту мав розмір О0,3мм, що забезпечувало 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 37-53 GHz, the diameter of the resonator was equal to 78 mm, its height was -7.2 mm, the radial gap with a width of 5:0.3 mm was filled with a reflector of the same thickness made of electrolytic copper, the measuring hole at a distance of 7. from the perimeter of the resonator was coaxial with the height of the resonator and had a variable diameter from 0.5 to 4 mm, depending on the measured substance or the size of the container with the substance under study. The smallest inner diameter of the container made of fluoroplastic was 0.3 mm, which ensured the minimum amount of the substance under investigation, which is quite significant for biophysical and medical-biological research.

Квазіоптичний діелектрометр було випробувано на твердих речовинах таких як лейкосапфір; рідинах - вода, етиловий спирт, ацетон; а також, вимірювалася концентраційна залежність спирту у воді, в тому числі, в динамічному стані - при проходженні рідини через ємність розташовану у резонаторі. 2 7 Кк ше?The quasi-optical dielectrometer was tested on solids such as leuco-sapphire; liquids - water, ethyl alcohol, acetone; and also, the concentration dependence of alcohol in water was measured, including, in a dynamic state - when the liquid passes through a container located in the resonator. 2 7 Kk she?

І Ко ето КТ СО ! КОДИ пи » шище | ше нання щі ' у. с дження я ек денний з СПЕ ин т ' я. естВ рин Нетн ти сте о «Фіг й. 7 7 Я ще п в щі -й п -3Е с. се т гл т МAnd Ko eto KT SO! CODES pi » shishe | she nannia shchi ' y. s ženja i ek day with SPE in t ' i. estV ryn Netn ti ste o "Fig y. 7 7 I still n v shchi -y n -3E p. se t gl t M

СУ 2 -у і жу? т З Кс пе в чі Б я Там худ: вх п с яSU 2 and Zhu? t Z Ks pe v chi B i Tam hud: vh p s i

КІ-Я ЗЕ За ма ся ЗБЕKI-I ZE Za ma sia ZBE

ОНЕTHEM

Фіг йFig and

У т в ь ня М т з ше що до не я те тм м сл мм мл; лю о жU t v nya Mt z she what to ne i te tm m sl mm ml; I'm sorry

КОН тріг. 3.KOH trig. 3.

Claims

1. A quasi-optical dielectrometer containing a measuring dielectric resonator made in the form of a disc with a radial gap, an ultra-high-frequency generator for exciting waves of the whispering gallery type and a receiver, which is characterized by the fact that a reflector in the form of a plate of conductive material is located in the radial gap, and at a distance X, (where X, is the wavelength of the whispering gallery in the resonator) from the side surface of the resonator, there is a hole for placing a container with the substance under study in it.

2. Quasi-optical dielectrometer according to claim 1, which is characterized by the fact that the capacity is made with the possibility of moving the substance under investigation.