ОТКРЫТАЯ РЕЗОНАНСНАЯ ЯЧЕЙКА ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ МАТЕРИАЛОВ

February 11, 2013 by admin Комментировать »

Бровенко А. В., Мирошниченко В. С., Мележик П. Н., Сенкевич Е. Б. Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины ул. Академика Проскуры, д. 12, г. Харьков, 61085, Украина тел.: 38(057)7203393, e-mail: mirosh@ire.kharkov.ua

Аннотация – Предложен вариант открытой резонансной ячейки, позволяющей провести абсолютные измерения диэлектрической и магнитной проницаемости для цилиндрических образцов и тонких пленок, нанесенных на цилиндрическую поверхность. Представлены результаты электромагнитного моделирования и тестовых экспериментальных измерений в 8-мм и 4-мм диапазонах материальных констант для образцов с известными свойствами.

I.                                       Введение

в миллиметровом диапазоне длин волн в качестве резонансных ячеек диэлектрометров традиционно используются только несколько ТИПОВ открытых резонаторов, ПОЗВОЛЯЮЩИХ провести абсолютные измерения параметров материалов. Кроме того, существуют ограничения и на форму исследуемого образца. Так, в полусферическом ОР образец должен быть выполнен в виде плоскопараллельной пластины с достаточно большими поперечными размерами [1], а в диэлектрометере на модах шепчущей галереи цилиндрический образец выступает в качестве открытой резонансной ячейки, предварительно рассчитанной на частоту измерений [2]. Для других типов открытых резонансных ячеек как правило не удается провести строгий анализ методами электромагнитного моделирования и необходима предварительная калибровка диэлектрометра.

В данной работе предложена открытая резонансная ячейка, позволяющая провести точный электродинамический анализ спектра возбуждаемых колебаний И обеспечить абсолютные измерения диэлектрической И магнитной проницаемости для цилиндрических образцов И ТОНКИХ пленок, нанесенных на цилиндрическую поверхность.

II.                               Основная часть

Открытая резонансная ячейка (Рис.1) представляет собой аналог двумерного ОР с цилиндрическими зеркалами, отличающийся наличием скосов на краях зеркал, которые образуют запредельные участки ДЛЯ волн, распространяющихся вдоль оси ОУ. Исследуемый образец в виде цилиндра с диаметром 2а помещается в центральной пучности электрического поля TEMooq-типа колебаний с нечетным продольным индексом (q =2m+1) для измерения диэлектрической проницаемости, либо в центральной пучности магнитного поля TEMooq-типа колебаний с четным продольным индексом (q =2m) для измерения магнитной проницаемости образца. Узел возбуждения ОР в виде щели находится в центре одного из цилиндрических зеркал и обеспечивает возбуждение

только Н-поляризованных колебаний {Н || OY).

Резонансная ячейка также позволяет провести абсолютные измерения материальных констант для ТОНКИХ пленок, нанесенных на поверхность проводящего ИЛИ диэлектрического цилиндра с известными материальными параметрами. Кроме того, данная резонансная ячейка может быть использована для непрерывного контроля диаметра оптоволокна, нейлоновой НИТИ И др.

Рис. 1. Открытая резонансная ячейка.

Fig. 1. Open resonance cell

Строгое решение спектральной задачи для двумерного ОР с цилиндрическими вставками приведено в работе [3], а особенности спектра возбуждаемых колебаний проанализированы в работе [4]. В экспериментальном аналоге двумерного ОР (Рис.1) возникают дополнительные типы колебаний, отличающиеся ЧИСЛОМ вариаций поля вдоль оси ОУ – TEMonq,. При этом СДВИГ резонансной частоты для ЭТИХ колебаний, вызванный исследуемым образцом, соответствует сдвигу частоты в двумерной модели резонансной ячейки.

Рис. 2. Сдвиг резонансной частоты ячейки.

Fig. 2. Cell resonance frequency shift

Выбор параметров резонансной ячейки и типа возбуждаемого колебания позволяет провести абсолютные измерения свойств исследуемых образцов, благодаря точному расчету сдвига резонансных частот ДЛЯ двумерной модели ячейки. Так, для TEMoos- типа колебаний в 8-мм диапазоне наблюдается однозначная зависимость сдвига резонансной частоты ячейки от диаметра образца 2а и величины его диэлектрической проницаемости (Рис.2, ε’ = 1^7).

Для повышения точности измерения tmS были выбраны параметры ячейки и исследуемого образца, обеспечивающие минимум дифракционных потерь ДЛЯ рабочего типа колебаний. На Рис.З приведено поведение дифракционной добротности (log )

для ΤΕΜοοδ -типа колебаний в зависимости от диаметра И диэлектрической проницаемости образца. Так, для образцов с диаметром 2а = 1 ^ 2 мм радиационными потерями ТЕМоо5-типа колебаний можно пренебречь (log > 5 для ^= 1,5 ^ 7,0).

Рис. 3. Дифракционная добротность ячейки.

Fig. 3. Cell diffraction Q-factor

Для тестовых измерений были выбраны цилиндрические образцы фторопласта (2^ = 1,90 мм) и плавленого кварца (2« = 2,51мм). Для работы ячейки в 8-мм диапазоне был выбран ТЕМоо5-тип колебаний, а в 4-мм диапазоне – ТЕМооп-тип колебаний. Диэлектрическая проницаемость образцов, измеренная по сдвигу резонансной частоты (^’ = 2,07для фторопласта И ^’ = 3,87для кварца), соответствует табличным данным.

III. Заключение

Предложенная открытая резонансная ячейка позволяет провести абсолютные измерения диэлектрической И магнитной проницаемости веществ в миллиметровом диапазоне и не требует дополнительной калибровки. Оптимизация параметров ячейки И восстановление параметров образца может быть проведено с использованием строгой двумерной модели ОР.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке фонда УНТЦ, проект № 1770.

IV.                           Список литературы

[1]  Власов С. Н., Копосова Е. В., Мазур А. Е., Паршин

B.       В. Об измерении диэлектрической проницаемости резонансным методом // Изв. Вузов. Радиофизика. 1996. Т.39, № 5. С.615-623.

[2]  Кгирка J., Derzakowski Κ., Abramocicz А. et al. Use of whispering-gallery modes for complex permittivity determinations of ultra-low-losses dielectric materials // IEEE Trans, on. MTT, 1999. Vol.47. No 6, pp.752-759.

[3]  Мележик П. H., Бровенко A. B., Поединчук A. E. Спектральные характеристики открытого резонатора с металлодиэлектрическим цилиндрическим включением // Изв. Вузов. Радиофизика. 1998. Т.41, № 10. С. 1336.

[4]  Мележик П. Н., Мирошниченко В. С., Сенкееич Е. Б. Открытые резонаторы с проводящими цилиндрическими вставками // Изв. Вузов. Радиофизика. 2005. Т.48, № 8.

C.       684-691.

OPEN RESONANT CELL FOR MEASUREMENT OF MATERIALS PERMITTIVITY AND PERMEABILITY

Brovenko A. V., Miroshnichenko V. S.,

Melezhik P. N., Senkevich Ye. B.

The A. Ya. Usikov’s Institute of Radiophysics and Electronics of the NAS of Ukraine

12,           Ak. Proskury str, Kharkov, 61085, Ukraine Ph.: 38(057)7203393, e-mail: mirosh@ire.kharkov.ua

Abstract – The open resonant cell for absolute measurement of permittivity and permeability of cylindrical samples and thin film, put on a cylindrical surface is offered. The results of electromagnetic modelling and test experimental measurements of material constants for samples with known properties in 8-mm and 4-mm wavelength ranges are submitted.

I.                                         Introduction

in millimetre band, a few types of open resonators (OR) are used traditionally as resonant cells for absolute measurement of materials parameters. Besides, there are restrictions on the shape of researching samples. Thus, in semispherical OR the sample should be executed as parallel-plane plate with enough large cross sizes [1], and in the permittivity-meter in the whispering-gallery mode the cylindrical sample represents an OR- cell designed previously for measurement frequency [2]. For other types of OR-cells the strong analysis is not possible and preliminary calibration of the permittivity-meters is necessary.

II.                                        Main Part

The OR-cell is analogue of the two-dimensional OR with cylindrical mirrors, having evanescent sites for waves extending along OY axis (Fig.1). Cylindrical sample with 2a diameter is located in the central electrical field antinode of TEMooq-mode with odd longitudinal index (q =2m+1) for permittivity measurement, or it is located in the central magnetic field antinode of TEMooq-mode with even longitudinal index (q =2m) for permeability measurement. Waveguide taper coupler for OR excitation is in the center of cylindrical mirror and provides excitation of H-polarized oscillations only (Я II OY ). Resonant cell allows carrying out absolute measurements of material constants for thin films. Besides, OR – cell can be used for continuous diameter control.

The strong solution of spectral problem for two-dimensional OR with cylindrical inserts is given in [3]. The features of the excited mode spectrum are analysed in [4].

Simple dependence of the cell resonance frequency shift versus sample diameter 2a and its permittivity is observed for TEMoos -mode in 8-mm wavelength range (Fig.2, ε=1^7). Diffraction Q-factor (logQ^) for TEMoos-mode versus sample diameter and permittivity are shown in Fig.3.

Test measurements for cylindrical samples of Teflon (2a = 1,90 mm) and fused quarts (2a = 2,51mm) was carried out in 8- mm range on TEMoos -mode, and in 4-mm range on TEMoon – mode. Measured samples permittivity (ε=2,07 for Teflon and ε=3.87 for quarts) are presented as tabular data.

III.                                       Conclusion

The cylindrical OR-cell for absolute measurement of samples permittivity and permeability in millimetre range without additional calibration is offered. The cell parameters optimisation and sample parameters restored are carried out using strong two-dimensional OR model.

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