UA59568A

UA59568A - Quasi-optical dielectric constant meter

Info

Publication number: UA59568A
Application number: UA2002086550A
Authority: UA
Inventors: Олександр Анатольович Баранник; Юрій Володимирович Прокопенко; Тамара Олександрівна Смирнова; Юрій Федорович Філіпов; 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: 2002-08-06
Filing date: 2002-08-06
Publication date: 2003-09-15

Abstract

The proposed quasi-optical dielectric constant meter contains a measuring dielectric resonator, a microwave oscillator and a microwave receiver. The input of the resonator is connected to the output of the generator, and the output of the resonator is connected to the input of the receiver. The resonator has a groove with concentric surfaces of width a e 0,5R, which is arranged at a distance b from the side surface of the resonator, where R is the radius of the resonator, and is the radiation wavelength. The end parts of the resonator are closed with plates made of conducting material.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Винахід, що пропонується, належить до галузі мікрохвильової техніки для визначення комплексної 2 діелектричної проникності у мікрохвильовому діапазоні та може застосовуватися у будь-якій області народного господарства, де діелектрична проникність обумовлює параметри твердих, порошкоподібних та рідких речовин.The proposed invention belongs to the field of microwave technology for determining the complex 2 dielectric constant in the microwave range and can be applied in any area of the national economy, where the dielectric constant determines the parameters of solid, powder and liquid substances.

Вимірювання діелектричної проникності являється і технічною задачею для визначення дійсної та уявної частин діелектричної проникності Е" та Е", відповідно, заново створених речовин, і науково-дослідною задачею визначення залежностей компонент тензора діелектричної проникності речовини від частоти, температури, тиску 70 та т. ін. Окремо слід наголосити на доцільності вимірювань діелектричної проникності у мікрохвильовому діапазоні води та водних розчинів, у тому числі біорозчинів. Методом мікрохвильової діелектрометрії досліджуються електричні характеристики фракцій крові, жовчі та т. ін. (Кузнецов А. Н., Турковский И. И.,The measurement of dielectric constant is both a technical task for determining the real and imaginary parts of the dielectric constant E" and E", respectively, of newly created substances, and a scientific research task of determining the dependence of the tensor component of the dielectric constant of a substance on frequency, temperature, pressure 70, etc. . Separately, we should emphasize the expediency of measuring the dielectric constant in the microwave range of water and aqueous solutions, including biosolutions. The electrical characteristics of fractions of blood, bile, etc. are studied by the method of microwave dielectrometry. (Kuznetsov A.N., Turkovskiy I.I.,

Волкова И. А. КВчЧ-дизлектрометрия биологических жидкостей в условиях нарушенного водного обмена. //Volkova I. A. HF-diselectrometry of biological fluids in the conditions of disturbed water exchange. //

Биофизика. 2001. т. 46, Моб, с. 1122 - 1125). 12 Для дослідження діелектричних властивостей речовини у мікрохвильовому діапазоні найчастіше використовуються резонансні методи. Спостерігають та порівнюють резонансні частоти та добротності резонатора без зразка та з ним. Різниця описаних методів полягає лише в типах використовуваних резонаторів, формах зразків, способах їх розміщення в резонаторах, методиці досліджень (А. А. Брандт. Исследование дизлектриков на сверхвьісоких частотах. М: Физматиз., 1963, с. 88 - 144). Задача визначення дійсної частини діелектричної проникності ЕГ та кута діелектричних втрат (985(95 - Е"/2Е зводиться до розв'язання рівнянь електромагнітного поля для тої чи іншої конфігурації резонатора. Цей розв'язок має враховувати вплив дослідного зразка діелектрика, який вмонтовано у резонаторі. Строго задача розв'язана лише для найпростіших форм резонаторів - прямокутного, циліндричного та коаксіального, При великих значеннях діелектричної проникності та кута діелектричних втрат доводиться використовувати досліджувані зразки, які заповнюють лише невелику частину об'єму резонатора, та наближені методи розрахунку. «Biophysics. 2001. v. 46, Mob, p. 1122 - 1125). 12 Resonance methods are most often used to study the dielectric properties of matter in the microwave range. The resonant frequencies and Q-factors of the resonator without and with the sample are observed and compared. The difference between the described methods is only in the types of resonators used, the shapes of the samples, the methods of placing them in the resonators, and the research methodology (A. A. Brandt. Issledovanie dizlektrikov na sverhvyysokikh frequences. M: Fizmatiz., 1963, p. 88 - 144). The task of determining the real part of the dielectric constant of EG and the dielectric loss angle (985(95 - Е"/2Е) is reduced to the solution of the equations of the electromagnetic field for one or another configuration of the resonator. This solution must take into account the influence of the test sample of the dielectric, which is mounted in the resonator Strictly, the problem is solved only for the simplest forms of resonators - rectangular, cylindrical and coaxial. At large values of dielectric constant and angle of dielectric loss, it is necessary to use researched samples that fill only a small part of the volume of the resonator, and approximate calculation methods.

Квазіоптичні діелектричні резонатори(КДР) (А. А. Баранник, Ю. В. Прокопенко, Т. А. Смирнова, Ю. Ф.Quasi-optical dielectric resonators (KDR) (A. A. Barannyk, Yu. V. Prokopenko, T. A. Smirnova, Yu. F.

Филиппов, Н. Т. Черпак. Кольцевой квазиоптический резонатор с проводящими торцевьми стенками. Сб.Filippov, N. T. Cherpak. Ring quasi-optical resonator with conductive end walls. Sat.

Радиофизика и злектроника. 2001. Мо2. МИРЗ. Харьков, с. 201 - 205)| дозволяють вимірювати комплексну діелектричну проникність діелектрика, з якого виготовлено КДР, при цьому можливо послідовно визначати 09 структуру поля в резонаторі та, відповідно, знаходити комплексні власні частоти із перших принципів, асаме- «о із рівнянь Максвелла. Вивчення спектра резонансних частот КДР з внутрішнім отвором, що заповнений повітрям або іншим діелектриком, показує, що хвилі типу "шепочучої галереї" поширюються в ньому поки межа між о прошарками співпаде з внутрішньою каустикою резонатора. Ге»)Radio physics and electronics. 2001. Mo2. MIRZ Kharkiv, village 201 - 205). allow measuring the complex dielectric permittivity of the dielectric from which the CDR is made, while it is possible to consistently determine the structure of the field in the resonator and, accordingly, to find the complex natural frequencies from first principles, as well as from Maxwell's equations. The study of the spectrum of resonant frequencies of a CDR with an internal hole filled with air or another dielectric shows that waves of the "whispering gallery" type propagate in it until the boundary between the o layers coincides with the internal caustic of the resonator. Ge")

Відомий пристрій для вимірювання параметрів діелектричних матеріалів (А. с. СССР Мо991828, М. Кл. с 01 оюA well-known device for measuring the parameters of dielectric materials (A. s. USSR Mo991828, M. Cl. s 01 oyu

К 27/26, 1976) має вимірювальний резонатор у вигляді диска з вирізом або отвором, вісь якого паралельна осі діелектричного диска, поєднаного з високочастотним генератором та індикатором. Досліджувана речовина розміщується у вирізі та змінює характеристики резонатора. Інтервал частот між резонансами та різниця їх смуг пропускання реєструється індикатором і дозволяє знайти діелектричні параметри досліджуваного матеріалу. « 20 Перевага такого пристрою у тому, що у діелектричному резонаторі виріз за відсутністю струмів провідності з значно менше впливає на властивості вимірювального резонатора, ніж виріз або роз'єм - у порожнистих с металевих резонаторах. :з» Недоліком цього пристрою є: виродження власних коливань за рахунок нерегулярності, яку утворює щілина або отвір та, відповідно, загущення спектра. При введенні діелектрика, що досліджується, в щілину(або отвір) досить важко слідкувати за зміщенням частот. Для отримання високої точності Е' матеріалу, що досліджується, сл но мусить не дуже відрізнятися від Е" матеріалу диска, а Е", взагалі має бути малим, інакше ширина резонансних кривих сильно збільшується, а амплітуда їх - зменшується. Альтернативою може бути зменшення (се) досліджуваного зразка, та відповідне звуження щілини, що ставить додаткові умови стосовно Е' дослідного сл матеріалу, інакше знижується точність вимірювань.K 27/26, 1976) has a measuring resonator in the form of a disk with a cutout or hole, the axis of which is parallel to the axis of the dielectric disk connected to a high-frequency generator and an indicator. The substance under study is placed in the cutout and changes the characteristics of the resonator. The frequency interval between resonances and the difference in their bandwidths is registered by the indicator and allows finding the dielectric parameters of the material under study. " 20 The advantage of such a device is that in a dielectric resonator, the cut-out, due to the absence of conduction currents, affects the properties of the measuring resonator much less than the cut-out or connector in hollow metal resonators. :z" The disadvantage of this device is: the degeneration of its own oscillations due to the irregularity formed by the slot or hole and, accordingly, the thickening of the spectrum. When the tested dielectric is inserted into the gap (or hole), it is quite difficult to observe the frequency shift. To obtain high accuracy, E' of the material under study must not differ much from E" of the disk material, and E" should generally be small, otherwise the width of the resonance curves increases greatly, and their amplitude decreases. An alternative can be a reduction (se) of the test sample, and a corresponding narrowing of the gap, which imposes additional conditions regarding E' of the test material, otherwise the accuracy of the measurements decreases.

Відомим є діелектричний резонатор, який дозволяє вимірювати діелектричну проникність рідин, газів та (2) порошкоподібних матеріалів (А. с. СССР Мо1107072, М. Кл). сб 01 В 27/26; 5 01 Кк 7/10, 1984), який со виготовлено у вигляді циліндра із високодобротного діелектрика з осьовим отвором, кільцевими канавками по боковій поверхні з'єднаними з осьовим отвором радіальними проходами. Розміри циліндра повинні задовольняти певним умовам, що пов'язують радіус резонатора з довжиною хвилі та діелектричними бв проникностями матеріалу резонатора та досліджуваної речовини. Недоліком цього пристрою є відносна складність резонатора, велика кількість рідини або газу, щоб резонатор можна було занурити у досліджувану » речовину, та ще бажана прокачка рідини або газу, щоб уникнути повітряних бульбашок. Окрім цього, цей пристрій також має обмеження по Е' та Е" досліджуваних речовин.A dielectric resonator is known, which allows measuring the dielectric constant of liquids, gases and (2) powdery materials (A. c. USSR Mo1107072, M. Kl). Sat 01 In 27/26; 5 01 Kk 7/10, 1984), which is made in the form of a cylinder of high-Q dielectric with an axial hole, annular grooves on the side surface connected to the axial hole by radial passages. The dimensions of the cylinder must satisfy certain conditions relating the radius of the resonator to the wavelength and the dielectric permeability of the material of the resonator and the substance under study. The disadvantage of this device is the relative complexity of the resonator, the large amount of liquid or gas so that the resonator can be immersed in the test » substance, and the still desirable pumping of the liquid or gas to avoid air bubbles. In addition, this device also has limitations on E' and E" of the substances under investigation.

Найбільш близьким по технічній суті аналогом(іпрототипом) є пристрій для вимірювання комплексної бо діелектричної проникності матеріалів у мікрохвильовому діапазоні (А. с. СССР Мо1626136, М. Кл? 5 01 В 27/26, 1991). Цей пристрій має вимірювальний діелектричний резонатор, поєднаний з надвисокочастотним генератором та індикатором, при цьому вимірювальний діелектричний резонатор виконано у вигляді диска, у якому вздовж радіуса від бокової поверхні прорізані дві щілини під кутом (0 - л/2. У вимірювальному діелектричному резонаторі збуджується хвиля типу "шепочучої галереї", котра двократно вироджена по азимуту. 65 Неоднорідність в резонаторі у вигляді одної щілини знімає виродження по азимуту та розщеплює кожен резонансний пік на два. Друга щілина, яка прорізана під кутом 2 - л/2 відносно першої компенсує розщеплення.The closest technical analogue (iprototype) is a device for measuring the complex dielectric constant of materials in the microwave range (A. s. USSR Mo1626136, M. Cl? 5 01 V 27/26, 1991). This device has a measuring dielectric resonator connected to an ultra-high-frequency generator and an indicator, while the measuring dielectric resonator is made in the form of a disk in which two slits are cut along the radius from the side surface at an angle (0 - l/2. In the measuring dielectric resonator, a wave of the type of the "whispering gallery", which is doubly degenerate in azimuth. 65 Inhomogeneity in the resonator in the form of one slit removes the degeneracy in azimuth and splits each resonant peak into two. The second slit, which is cut at an angle of 2 - l/2 relative to the first, compensates for the splitting.

Введення у другу щілину досліджуваного матеріалу приводить до розщеплення резонансів з непарним азимутальним індексом п. Величина розщеплення монотонно зростає зі збільшенням Е" Радіус, висота резонатора, довжина та ширина щілини вибираються із визначених співвідношень, пов'язаних з діелектричною проникністю резонатора.The introduction of the material under study into the second slit leads to the splitting of resonances with an odd azimuthal index p. The splitting value increases monotonically with increasing E" Radius, resonator height, length and width of the slit are selected from certain ratios related to the dielectric permittivity of the resonator.

Адитивною якістю цього пристрою є некритичність до розмірів поверхні зразків у вигляді пластин та плівок, що дає змогу обміряти зразки локально по їх поверхні при наявності в них структурних змін.An additive quality of this device is that it is not critical to the dimensions of the surface of the samples in the form of plates and films, which makes it possible to measure the samples locally on their surface if there are structural changes in them.

Недоліком цього пристрою є необхідність градуювання з використанням пластин з відомими діелектричними проникностями. Крім того, на результати вимірювань впливає температура навколишнього середовища, тому що 7/0 діелектричні проникності досліджуваного зразка та еталона можуть мати різні температурні залежності.The disadvantage of this device is the need for calibration using plates with known dielectric constants. In addition, the measurement results are affected by the ambient temperature, because the 7/0 dielectric constants of the tested sample and the standard may have different temperature dependences.

В основу запропонованого пристрою поставлена задача: в квазіоптичному діелектрометрі шляхом розміщення досліджуваної речовини концентричним прошарком у вимірювальному резонаторі та порівняння експериментально виміряних та теоретично розрахованих резонансних характеристик діелектричного дискового резонатора з провідними торцевими стінками забезпечити підвищення точності вимірювань та розширення діапазону значень Е, що вимірюється, а також можливість досліджень динаміки змін діелектричної проникності для речовин, що протікають через канавку у резонаторі.The proposed device is based on the following task: in a quasi-optical dielectrometer, by placing the substance under investigation in a concentric layer in the measuring resonator and comparing the experimentally measured and theoretically calculated resonance characteristics of the dielectric disk resonator with conductive end walls, to ensure an increase in the accuracy of measurements and an expansion of the range of E values that is measured, as well as the possibility of researching the dynamics of dielectric constant changes for substances flowing through the groove in the resonator.

Поставлена задача розв'язується таким чином: у квазіоптичному діелектрометрі, що містить вимірювальний діелектричний резонатор, поєднаний з надвисокочастотним генератором для збудження хвиль типу "шепочучої галереї" та приймачем, створюється в резонаторі канавка з концентричними боковими поверхнями так, щоб досліджувана речовина, що заповнює цю канавку, взаємодіяла з полем хвилі "шепочучої галереї". Канавку слід розміщувати так, щоб її зовнішня сторона заходила в область каустики хвилі "шепочучої галереї". Підвищення точності вимірювання забезпечується строгим розв'язком електродинамічної задачі.The problem is solved as follows: in a quasi-optical dielectrometer containing a measuring dielectric resonator connected to an ultra-high-frequency generator for exciting waves of the "whispering gallery" type and a receiver, a groove with concentric side surfaces is created in the resonator so that the substance under study filling this groove, interacted with the wave field of the "whispering gallery". The groove should be placed so that its outer side enters the caustic region of the "whispering gallery" wave. Increasing the accuracy of the measurement is provided by a strict solution of the electrodynamic problem.

Суть винаходу пояснюють ілюстрації: на фіг.1 зображено схему діелектрометра, на фіг.2 та фіг.3 показано порівняння теоретичних залежностей різниці резонансних частот НЕ до коливань резонатора з досліджуваною об речовиною та без неї від розмірів канавки для різних значень Е' та (д 5 досліджуваних речовин, та експериментально виміряних тих же залежностей для одної з речовин, що нами досліджувались(для даного « прикладу п - Зб; в - 1).The essence of the invention is explained by the illustrations: Fig. 1 shows the diagram of the dielectrometer, Fig. 2 and Fig. 3 show a comparison of the theoretical dependences of the difference in resonance frequencies of the NO to the oscillations of the resonator with and without the substance under study on the dimensions of the groove for different values of E' and (d 5 studied substances, and experimentally measured the same dependencies for one of the substances that we studied (for this "example n - Zb; c - 1).

Запропонований квазіоптичний діелектрометр містить у собі діелектричний резонатор 1 з утвореною канавкою 2, затиснутий між двома металевими пластинами 3, які мають технологічні отвори 4. Канавка с зо заповнюється вимірювальною речовиною, яка фіксується знизу дном канавки, а зверху - одною з металевих пластин, між якими затиснуто резонатор. Отвори в металевих пластинах закриті заглушками 5 із того ж металу, ее, що і пластини, якщо вимірюються діелектричні параметри речовини, що знаходиться в канавці за п.1, або ю підключаються до трубопроводу, де переміщується вимірювана рідина, газ або сипуча речовина в разі використання винаходу за п.2. Дзеркальні діелектричні хвилеводи б, закриті з одного боку узгодженими іа навантаженнями 7, а з другого - під'єднані до генератора та приймача, відповідно, призначені для збудження ю резонатора. Висота диска | вибирана такою, щоб аксіальний номер коливань, що спостерігаються, був не більший (І. « 5), а радіус диска К - 5/2лп, де п - число довжин хвиль по периметру резонатора. Зовнішній діаметр канавки знаходиться на відстані «), від периметра резонатора, а внутрішній може досягати 0,5К « резонатора так, щоб зручно було закріплювати металеві пластини, які екранують торці вимірювального резонатора. Для виготовлення резонатора слід вибирати матеріал з малими діелектричними ші с втратами(95 зх 103), величина його дієлектричної проникності(Е) може бути довільною, механічні "» характеристики краще такі, що дають змогу обробляти виріб станком. " Запропонований пристрій працює таким чином: в діелектричному резонаторі 1 дзеркальними діелектричними хвилеводами 2 збуджуються хвилі "шепочучої галереї". Спектр резонансних частот кільцевого діелектричного резонатора(КДР) вимірювався по схемі "на проходження" при слабкому зв'язку. Експериментально вимірюються о частоти та добротності коливань, що спостерігаються, визначається їх тип, а потім виміряні частоти та со добротності порівнюються Кк! теоретично розрахованими спектральними характеристиками радіально-двошарового резонатора. З цією метою розроблено спеціальну програму, котра дозволяє проводити о розрахунки та порівняння з експериментальними результатами на комп'ютері. б 20 Запропонований квазіоптичний діелектрометр був виготовлений та випробуваний у діапазоні 30 - бОГГЦ, діаметр резонатора дорівнював 78мм, його висота - 7мм, внутрішній діаметр канавки дорівнював Б5Омм, а со зовнішній під час досліджень змінювався від 52 до 72мм. Крок зміни ширини канавки зменшувався при наближенні її зовнішньої поверхні до лінії каустики. Глибина канавки змінювалась від 1 до бмм. Канавка може залишатися пустою, тоді в розрахунках Е' внутрішнього шару резонатора дорівнює 1, що дає змогу визначити 22 або уточнити Е" матеріалу резонатора. Потім канавка заповнюється речовиною, що досліджується. в Квазіоптичний дігелектрометр був випробуваний на твердих речовинах з Е, виміряних іншими методами або добре відомими з літератури - лейкосапфірі, спеціальній пластмасі; рідинах - спирті, гліцерині, веретенному маслі, бензині. Квазіоптичний діелектрометр за зміною вимірюваної діелектричної проникності фіксує різні сорти бензину.The proposed quasi-optical dielectrometer contains a dielectric resonator 1 with a formed groove 2, sandwiched between two metal plates 3, which have technological holes 4. The groove c zo is filled with a measuring substance, which is fixed from below by the bottom of the groove, and from above - by one of the metal plates between which the resonator is clamped. The holes in the metal plates are closed with plugs 5 of the same metal, ee as the plates, if the dielectric parameters of the substance located in the groove according to item 1 are measured, or у are connected to the pipeline where the measured liquid, gas or bulk substance moves in the case use of the invention according to clause 2. Dielectric mirror waveguides b, closed on one side by matched ia loads 7, and on the other - connected to the generator and receiver, respectively, are designed to excite the resonator. Disc height | is chosen so that the axial number of the observed oscillations is not greater than (I. « 5), and the radius of the disc is K - 5/2lp, where n is the number of wavelengths along the perimeter of the resonator. The outer diameter of the groove is at a distance "), from the perimeter of the resonator, and the inner diameter can reach 0.5K " of the resonator so that it is convenient to fix the metal plates that shield the ends of the measuring resonator. For the manufacture of the resonator, you should choose a material with low dielectric loss (95 x 103), the value of its dielectric permeability (E) can be arbitrary, the mechanical "" characteristics are better such that they allow the product to be machined. " The proposed device works as follows: in the dielectric resonator 1, the "whispering gallery" waves are excited by mirror dielectric waveguides 2. The spectrum of the resonance frequencies of the ring dielectric resonator (RDR) was measured according to the "through" 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 Kk! theoretically calculated spectral characteristics of the radial double-layer resonator. For this purpose, a special program has been developed that allows calculations and comparisons with experimental results on a computer. b 20 The proposed quasi-optical dielectrometer was manufactured and tested in the range of 30 - bOHHC, the diameter of the resonator was equal to 78mm, its height - 7mm, the inner diameter of the groove was equal to B5Ωm, and the outer diameter during the research varied from 52 to 72mm. The step of change in the width of the groove decreased as its outer surface approached the caustic line. The depth of the groove varied from 1 to bmm. The groove can remain empty, then in the calculations E' of the inner layer of the resonator is equal to 1, which makes it possible to determine 22 or to specify the E" of the resonator material. The groove is then filled with the substance under investigation. c The quasi-optical dielectrometer has been tested on solids with E measured by other methods or well-known from the literature - leukosapphire, special plastic; liquids - alcohol, glycerin, spindle oil, gasoline. The quasi-optical dielectrometer records different grades of gasoline by the change in the measured dielectric constant.

Claims

The formula of the invention

1. A quasi-optical dielectrometer containing a measuring dielectric resonator connected to a 65 ultra-high-frequency generator for exciting waves of the "whispering gallery" type and a receiver, which is characterized by the fact that the resonator has a groove with concentric side surfaces of a width of 0B5V at a distance of Ba), From side surface of the resonator (where K is the radius of the resonator, 7. is the wavelength of the "whispering gallery"), and the ends of the resonator are closed with conductive plates.

2. Quasi-optical dielectrometer according to claim 1, which is characterized by the fact that holes are made in the conductive plates that cover the ends of the resonator. « (ee) (Se) IS) (o) IS c) -

with . and? 1 se) 1 Fo IR e) 60 b5