СПЕКТРАЛЬНЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИСКОВОГО КДР С ПРОВОДЯЩИМИ ТОРЦЕВЫМИ СТЕНКАМИ И ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТЬЮ

January 4, 2013 by admin Комментировать »

Лавринович А. А., Губин А. И., Кириченко А. Я., Черпак Н. Т. Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины ул. Ак. Проскуры, 12, г. Харьков, 61085, Украина тел.: (057) 7203363, e-mail: lavr@ire.kharkov.ua

Аннотация – Приводятся результаты экспериментального исследования спектральных и энергетических характеристик дискового квазиоптического диэлектрического резонатора с проводящими торцевыми стенками и неоднородностью в виде капилляра с жидкостью, расположенного в области каустики поля. Характер поведения изменения собственных частот такого резонатора с разными жидкостями различен при изменении диаметра капилляра.

I.                                       Введение

в последнее время квазиоптические диэлектрические резонаторы (КДР) все более широко используются в микроволновой физике и технике [1]. Особенностью КДР являются их высокая добротность и возможность исследования свойств различных веществ [2]. Во многих случаях, при исследовании жидкостей (например, биологических и т. д.) возникает необходимость использования их в ограниченных количествах (малых объемах). Это вызвано тем, что большинство таких жидкостей (растворов) имеют в своем составе такую сильно поглощающую компоненту, как вода. Поэтому малейшие изменения концентрации воды в растворе сильно влияет на величину поглощения раствора. Сопоставляя величины поглощения родственных ему соединений можно выяснить ряд важных вопросов физики таких веществ. В работах [3-4] были исследованы неэкранирован- ных дисковых ЬЗДР с капилляром с целью их применения для исследования жидкостей в широком диапазоне потерь в малых объемах. Однако такие резонаторы не поддаются строгому теоретическому анализу. Использование торцевых проводящих стенок (ТПС) в КДР [5] снимает указанное ограничение.

Целью работы является экспериментальное изучение влияния цилиндрической неоднородности в виде капилляра с жидкостью на собственную частоту и добротность дискового КДР с проводящими торцевыми стенками ТПС, выяснение возможностей использования их для определения комплексной диэлектрической проницаемости ε* жидкостей с большим tg δ.

II.                              Основная часть

в исследованиях использовался дисковый КДР, который был изготовлен из материала фторопласт-4, геометрические размеры которого были выбраны теми же, что и резонатора в работах [4-5]: радиус диэлектрического диска R = 39 мм, высота – h = 7,2 мм. ТПС представляли собой металлические диски, изготовленные из латуни, радиус которых превышал R и составлял г = 50 мм. Для возбуждения бегущей волны в резонаторе использовался зеркальный диэлектрический волновод, связь которого с резонатором выбиралась минимальной. При этом использовалась схема на прохождение. Параллельно оси резонатора в области каустики поля было выполнено отверстие диаметр (D) которого был больше внутреннего диаметра капилляра (d), изготовленного из фторопласта в котором размещалось исследуемое вещество (см. вставку на рис.1).

Исследования проводились в диапазоне частот 36 – 40 ГГц при возбуждении в резонаторе волны HEnms-типа. При этом регистрировались изменения частотного сдвига Af = fiiq-f air (GHz) в резонаторе для капилляра, а также потери на проход AA=Aiiq-Aair (-dB) и определялось относительное изменение добротности Qiiq/Qair резонанса. Исследуемыми объектами в капилляре были воздух (пустая ампула), этиловый спирт, дистиллированная вода и ацетон.

Рис. 1. Зависимость смещения частоты Af = fuq-fair от внутреннего диаметра капилляра для 1ЧЕ- волны.

Fig. 1. Dependence of frequency shift Af = fuq-f air upon inside diameter of capillary for HE mode wave

Из рис.1 видно, что с изменением диаметра капилляра d от О до 2.1 мм при заполнении его разными жидкостями, частотный сдвиг Af увеличивается до значения d = dmax, когда глубина проникновения поля в вещество максимальна, и в большей степени определяется потерями в исследуемом веществе. Причем характер поведения этих зависимостей разный и отличается от тех, которые были получены в КДР без проводящих торцевых стенок [3]. Это вызвано, очевидно, изменением структуры поля, локализованного между двумя ТПС резонатора и ее влиянием на неоднородное включение в виде капилляра, заполненного жидкостями с большими потерями. В данном случае наблюдается направление изменения значения частотного сдвига для капилляра с водой и ацетоном, имеющих большие потери по сравнению с этиловым спиртом. Причем для воды имеет место изменение знака Af при увеличении диаметра капилляра d. Очевидным является тот факт, что в данном случае область отрицательных значений Af для воды значительно меньше, чем у КДР без ТПС [3].

Характер поведения относительного изменения добротности Qiiq /Qair ОТ диаметра капилляра d, заполненного жидкостью (рис.2), коррелирует с характером поведения Af. Здесь следует отметить характерные значения d для каждой из жидкостей, выше

Рис. 2. Зависимость изменения добротности резонатора от внутреннего диаметра капилляра для НЕ- волны.

которых добротность мало изменяется, что может быть вызвано размерным эффектом, обусловленным глубиной проникновения поля в жидкость [6].

Fig. 2. Dependence of resonator quatity-factor changes upon inside diameter of capillary for HE mode wave

III.                                  Заключение

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования указывают на то, что при малых значениях диаметра капилляра, заполненного жидкостью с большими потерями, наблюдается снижение частоты и добротности, собственных колебаний КДР с торцевыми стенками. Увеличение d приводит к эффекту перераспределения поля, вызванного глубиной его проникновения в капилляр, заполненный исследуемой жидкостью, и его влияния на собственные частоты резонатора. Результаты, полученные в работе, могут быть полезны при теоретическом анализе данной структуры КДР с целью создания измерительной ячейки для исследований диэлектрических свойств жидкостей малого объема и большим значением tg6 в миллиметровом диапазоне длин волн.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Научно-технологического центра Украины (проект 2051).

IV.                           Список литературы

[1]  Ильченко М. Е., Взятышев В. Ф., Гассанов Л. Г. и др. Диэлектрические резонаторы. / Под ред. М. Е. Ильченко.· М., Радио и связь, 1989.

[2]  CherpakN. Т., Barannik А. А., Prokopenko Yu. V. et. al. Microwave Characterization technique for condenced matter from first principles if Proc. of International Workshop on Microwaves, Radar and Remote Sensing (Kiev, Ukraine, 19- 21 Sept., 2005), pp. 322-329.

[3]  Lavrinovich A. A., Kirichenko A. Ya., Flllpov Yu. F. et. al. Spectral properties studies of disc quasi-optical dielectric resonator with a liquid-filled capillary// Proc. of 14-th International Crimean Conference «Microwave & Telecommunication Technology» (CriMiCoO4, 11-15 Sept. 2004, Sevastopol, Crimea, Ukraine), pp.709-710.

[4]  Lavrinovich A. A., Gubin A. I., Kirichenko A. Ya., CherpakN. T. Electrodynamic properties of disc quasi-optical dielectric resonator at small volume of binary water mixture if Proc. of 15-th International Crimean Conference «Microwave

&        Telecommunication Technology» (CriMiCo’05, 12-16 Sept. 2005, Sevastopol, Crimea, Ukraine), vol.2, pp.562-563.

[5]  Баранник A. A, Прокопенко Ю. В., Филиппов Ю. Φ. и др. Влияние ограниченности торцевых экранов на частотный спектр колебаний в цилиндрических квазиоптиче- ских диэлектрических резонаторах // Письма в ЖТФ.- 2003.-^, ВЫП.13.-С.31-35.

2005.  Кириченко А. Я., Лавринович А. А, Черпак И. Т. Электродинамические особенности квазиоптических диэлектрических резонаторов с капилляром, заполненным жидкостью с большими потерями//Доклады НАН Украины – № 8.- с.72-76.

SPECTRAL AND ENERGY PROPERTIES OF DISC QUASI-OPTICAL DIELECTRIC RESONATOR WITH CONDUCTING ENDPLATES AND CILINDRICAL HETEROGENEITY

Lavrinovich A. A., Gubin A. I.,

Kirichenko A. Ya., Cherpak N. T.

A. Ya. Usikov Institute for Radiophysics and Electronics, National Academy of Science of Ukraine

12,      Acad. Proskura Str, Kharkiv, 61085, Ukraine Ph.: (057) 7203363, e-mail: lavr@ire.kharkov.ua

Abstract – Experimental study results of spectral and energy properties of a disc quasi-optical dielectric resonator with conducting endplates and inhomogeneity in the form of capillary filled with liquid placed in an area of caustic of field are presented.

I.                                         Introduction

Earlier (see works [3 – 4]), the unscreened disc quasi-optical dielectric resonators (QDR) with a capillary were studied for the purpose of use for characterization of liquids in small in a broad interval of microwave losses. However, such resonators do not defy rigorous theoretical solving so far. Use of conducting endplates (CEP) in QDR lifts above mentioned restrictictions [5].

II.                                        Main Part

In studies the disc QDR made of Teflon in radius and height R= 39 mm and h = 7.2 mm accordingly was used. A radius r of CEP was equal to 50 mm. The studies were carried out in frequency band of 36 – 40 GHz when exciting HEnms modes in the resonator. At the same time, variations of frequency shift Af = fiiq-f air (GHz) was registered (Fig. 1) and relative variation of quality-factor Qiiq/Qair was determined for the resonator with a capillary (Fig. 2). The studied objects in a capillary were air (empty capillary), ethyl alcohol, distilled water and acetone.

III.                                       Conclusion

The results, obtained in a given work, can be useful for theoretical analysis ofthe resonator with CEP and capillary for the purpose of creating measurement cell intended for microwave permittivity characterization of lost small value liquids.

This work was partially supported by the Science and Technology Center of Ukraine (the project No 2051).

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты