СВЧ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ сильно ПОГЛОЩАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ В МАЛОМ ОБЪЕМЕ

January 13, 2013 by admin Комментировать »

Еременко 3. Е., Ганапольский Е. М. Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины ул. Ак. Проскуры, 12, Харьков, 61085, Украина Тел.: +38(057) 7023-553, e-mail: z_eremenko@ire.kharkov.ua

Аннотация – Разработан новый метод измерения комплексной диэлектрической проницаемости сильно поглощающей жидкости в малом объеме с помощью объемного полусферического резонатора сантиметрового диапазона с малой центральной полусферической полостью для измеряемой жидкости.

I.                                       Введение

Измерения комплексной диэлектрической проницаемости сильно поглощающих жидкостей на водной основе на СВЧ является эффективным способом получения информации о свойствах жидкостей на молекулярном уровне, так как на этих частотах наблюдается максимальная частотная дисперсия воды. В ряде случаев, связанных, например, с производством лекарственных препаратов или с идентификацией или тестированием жидкости, её рабочий объем, доступный для измерения, оказывается весьма малым. Применение в таких условиях известных волноводных

[1]   или резонаторных [2] методов для измерения любых значений комплексной диэлектрической проницаемости практически невозможно. В связи с этим возникает проблема создания эффективного способа измерения на СВЧ диэлектрических свойств жидкостей с большими значениями ε’ и /или ε" при весьма малом объеме используемого образца.

II.                               Основная часть

Целью нашего докпада, который является логическим развитием работы [3], является описание нового метода измерения комплексной диэлектрической проницаемости в малом объеме сильно поглощающей жидкости. Для этого в качестве измерительной ячейки был выбран объемный полусферический резонатор с малой центральной полусферической полостью. Эта полость окружена твердым химически стойким диэлектриком (например, тефлоном) и заполняется измеряемой жидкостью.

Существенные свойства нашего измерительного резонатора (рис.1) следующие.

Во-первых, в полусферическом резонаторе, открытом для возбуждения в любой точке по радиусу, в качестве рабочего выбирается тип колебаний, при котором малый объем жидкости в полости оказывает существенное влияние на добротность и смещение собственной частоты. Во-вторых, используя сферическую симметрию такого резонатора, можно, не прибегая к приближенному методу теории возмущений, с заданной точностью рассчитать необходимые оптимальные параметры измерительной ячейки. И, что существенно, определить зависимости, связывающие смещение резонансной частоты и величину нагруженной добротности с действительной и мнимой частями диэлектрической проницаемости измеряемой жидкости.

Рис. 1. Полусферический резонатор для измерения диэлектрической проницаемости жидкости: 1 – входной волновод: 2 – выходной волновод; 3 – дипольные элементы связи резонатора с волноводом;

4   – измеряемая жидкость; 5 – тефлоновая вставка; 6 – металлический корпус резонатора (г^= 17,5 мм).

Fig. 1. IHemispherical resonator for liquid permittivity measurement: 1 – input waveguide; 2 – output waveguide; 3-dipole elements of resonator-waveguide coupling; 4 – liquid under examination; 5 – polytetafluoro- ethylene insert; 6 – resonator metal case (г^= 17,5 mm)

Puc. 2. Зависимость собственной резонансной частоты резонатора f(a) и обратной добротности 1/Q (б) от omнouJeнuя радиусов г/гг. 14ифрами отмечены: 1 – пустая полость; 2 – спирт; 3 – вода.

Fig. 2. Dependence of eigen resonance frequency f (a) and inverse 1/Q (6) on radii relation Г1/Г2. 1 – empty cavity; 2 – alcohol; 3 – water

На рис.2 показана зависимость резонансной частоты и обратной добротности от отношения r^lr^ для различных жидкостей в полости резонатора и рабочей моде колебаний ТЕщ . Собственная частота колебаний резонатора с пустой полостью (кривые 1) незначительно возрастает, а обратная добротность практически не изменяется, так как поле в этом случае в основном концентрируется вне полости. Если поместить в полость спирт (кривые 2), то с увеличением Tj собственная частота резонатора уменьшается, а обратная добротность существенно возрастает, поскольку максимум распределения поля перемещается в полость со спиртом (как в среду с большим значением диэлектрической проницаемости). При этом радиальный индекс колебаний остается / = 1. Если же поместить в сферическую полость воду (кривые 3), то возникает обратная ситуация: с увеличением собственная частота резонатора возрастает, но при этом обратная добротность уменьшается немонотонно. Эффект возрастания частоты резонатора можно объяснить вытеснением электромагнитного поля из полости, занятой жидкостью с большими величинами ε[ и ε” (ε[ и ε” » 1). При этом вытеснение поля сопровождается преобразованием основной моды колебаний (/ = 1) в моды с /> 1 и соответствующим увеличением резонансной частоты.

III.                                   Заключение

Таким образом, рассмотренный метод позволяет измерить комплексную диэлектрическую проницаемость в малом объеме сильно поглощающей жидкости. Дано теоретическое обоснование этого метода [4] с помощью решения точного характеристического уравнения для данного резонатора. В качестве характерного примера проведено измерение диэлектрических свойств спирта и воды. Полученные экспериментальные данные достаточно удовлетворительно согласуются с теоретическими. Обнаружен эффект выталкивания поля из полости с жидкостью с большими значениями действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости [4].

IV.                            Список литературы

[1] г. м. ГлибицкиО, В. А. Кашпур. Метод измерения диэлектрической проницаемости в миллиметровом диапазоне растворов биоматериалов в зависимости от температуры.. Сб. науч. тр. Ан УССР. Ин-т радиофизики и электроники. Киев.: Наук. Думка, 1989. с.10-15.

[2] Лабутин С. А. Лопаткин А. В. Резонаторная система СВЧ -измерений комплексной диэлектрической проницаемости материалов. Приборы и техника эксперимента,

1998,       № 3, с. 166-167.

[3] Ganapolskii Е. М. and GolikA. V. А Sapphire sphere resonator for the measurement of low dielectric losses in the millimetre- wave range in liquids. // Measurement Science and Technology, 1997, Vol.8, pp 1016-1022.

[4] Eremenko Z. E., Ganapolskii E. M Method of microwave measurement of dielectric permittivity in small volume of high loss liquid using hemispherical cavity resonator. Measurement Science and Technology, 2003, Vol.14, pp. 2096 – 2103.

MICROWAVE MEASUREMENT OF HIGHLOSS LIQUID PERMITTIVITY INSMALL VOLUME

Eremenl<o Z. E., Ganapoisl<ii E. IVI.

Usikov Institute for Radiophysics and Electronics of National Academy of Sciences of Ukraine Proskura Str 12, Kharkov, 12, 61085, Ukraine Ph.: +38(057) 7023-553, e-mail: z_eremenko@ire.kharkov.ua

Abstract – New measurement permittivity method of high loss liquid in small volume using semi-spherical microwave resonator with small central cavity for measuring liquid was worked out.

I.                                         Introduction

The complex permittivity measurement of high loss liquid with water base on microwave is effective way to obtain the information about properties of liquids on molecular level, because of maximal frequency dispersion on this frequencies. In a series of cases that are relevant to the medicine production or identification, available liquids volume is rather small. The sage in such a case known waveguide [1] or resonance [2] methods are practically impossible. The problem of effective microwave technique arises for measurement of dielectric properties of liquids with high ε’ and/or ε" values at rather small sample volume.

II.                                        Main part

The purpose of our report is the description a new method of permittivity measurement in small volume of high loss liquid. For that we used a cavity semi-spherical microwave resonator with a small central cavity. This central cavity was surrounded with chemical-resistant dielectric (e. q. Teflon) and filled with monitoring liquid. The essential features of our measuring resonator (fig.1) are as follows. First, semispherical resonator that is open for excitation in any radius point and we can use such an oscillation mode when even small liquid volume has great influence on quality factor and resonant frequency of the resonator. Second, using spherical symmetry such a resonator we can calculate with definite accuracy optimal resonator parameters without perturbation approach. And, it is essential; we can determine the dependences between resonant frequencies, the load quality factor and real and imaginary parts of liquid permittivity.

III.                                       Conclusion

Thus, the considered method permits to measure complex permittivity in a small volume of high loss liquid. We produced the theoretical base of our method by solving rigorous characteristics equation for such a resonator [4]. As a specific example we measured the dielectric properties of water and pure alcohol. The obtained experimental data have a good agreement with numerical results. We detected the pushing effect of electromagnetic field out of the cavity with high loss liquids that have high values of real and imaginary permittivity parts [4].

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