Спосіб визначення діелектричної проникності та пристрій для його здійснення

1. Способ опред еления д иэ лектриче ской проницаемос ти материала, заключаю щ ийс я в облу чении ис пыту емого образца электромагнитной волной д вуплечим излу чателем, изменении разнос ти фаз с игналов в плечах излучателя и измерении амплитуды прош едшей волны под углом в\ л опред еле нии д иэ лектричес кой проницаемос ти, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что д ополнительно, од новременно с изменением разнос ти фаз в плечах излучателя, снимают зависимос ть амплитуды прошедшей волны от длины пле ча, а диэлектрическую проницаемос ть опре деляют по форму ле ,-_*•!_. f1 где До - длина волны в Sln 0 I 2 s свободном прос транстве; Де - длина в двуплечем излучателе; А- период следования ну лей амплитуд ы прош едш ей волны, а угол в выбирается из соотнош ения где dk - предельный размер плеча излучателя. 2. Ус тройс тво д ля опред еления диэ лек трической проницаемос ти, с од ержащее пос лед ова тельн о с оед инен ны е СВЧ -гене ратор и д елитель мощнос ти, к вых од ам которого под ключены излучатели, приемник, соед иненный с инд икатором, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что волноводный излучатель выполнен в вид е диэ лектрического волновода и пары рас положенных в од ной плоскости прямоугольных металлических плас тин, ус тановленных с зазором по отнош ению к д иэ лектричес кому волнов од у , при э том больш ие кромки плас тин параллельны д иэлектрическому волноводу, од на из плас тин жес тко закреплена, а д ругая ус тановлена с возможнос тью перемещ ения вд оль оси д иэлектрического волновода и жес тко связана с ним, пара металлических плас тин второго излучателя размещена в той же плоскос ти, что и плас тины первого излучателя, подвиж ная плас тина первого излучателя имеет контакт больш ей кромкой с больш ей кромкой неподвижной плас ти+ш второго излучателя, а неподвижная плас тина первого - с подвижной плас тиной второго, прич ем меньш и е к р о м к и н е п о д в и ж н ы х п л а с ти н рас положены вд оль одной прямой. С > сл ел со О 15543 Изобретение относится к технике измерений в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых волн и может быть использовано для измерений действительной части диэлектрической проницаемости материалов. Наиболее близким по совокупности признаков является способ определения диэлектрической проницаемости, заключающийся в облучении испытуемого образца электромагнитной волной двуплечим излучателем, изменении разности фаз сигналов в плечах излучателя и измерении амплитуды прошедшей волны под углом и определении диэлектрической проницаемости [1]. Кроме того, диэлектрическую проницаемость определяют из характеристического уравнения возбуждения поверхностных волн в диэлектрике, а по ширине резонансной кривой зависимости амплитуды отраженной волны от частоты определяют тангенс угла диэлектрических потерь. Недостатком известного способа является низкая точность измерения разности фаз в плечах излучателя. Наиболее близким по совокупности признаков является устройство для определения диэлектрической проницаемости, содержащее последовательно соединенные СВЧ-генератор и делитель мощности, к выходам которого подключены излучатели, приемник, соединенный с индикатором [2]. Недостатком известного устройства является сложность реализации конструкции излучателя при измерениях в субмиллиметровом диапазоне волн. В основу изобретения поставлена задача создания способа определения диэлектрической проницаемости и устройства для его осуществления, в которых достигнуто уменьшение относительной погрешности определения величины диэлектрической проницаемости контролируемого материала и за счет этого повышена точность измерений в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых волн. Поставленная задача достигается тем, что в известном способе определения диэлектрической проницаемости, заключающемся в облучении испытуемого диэлектрика электромагнитным полем двуплечим излучателем, изменении разности фаз сигналов в плечах излучателя и измерении амплитуды прошедшей волны под углом и определении диэлектрической проницаемости, согласно изобретения, дополнительно с изменением разности фаз в плечах излучателя снимают зависимость амплитуды прошедшей волны от длины плеча, а ди электрическую проницаемость определяют по формуле 5 Sin2 e l a"^ где Хо - длина волны в вакууме; Аь -длина волны в диэлектрическом волноводе; А - период следования нулей амплитую А": и - угол, отсчитываемый от нормали к излучателю до направления на приемник. Поставленная задача достигается также тем, что в известном устройстве, содержа15 щем "последовательно соединенные ВСЧгенератор и делитель мощности, к выходам которого подключены излучатели, приемник, соединенный с индикатором, согласно изобретения, волноводный излучатель вы20 полнен в виде диэлектрического волновода и пары расположенных в одной плоскости прямоугольных металлических пластин, установленных с зазором по отношению к диэлектрическому волноводу, при этом 25 большие кромки пластин параллельны диэлектрическому волноводу, одна из пластин жестко закреплена, другая установлена с возможностью перемещения вдоль оси диэлектрического волновода и жестко связана 30 с ним, пара металлических пластин второго излучателя размещена в той же плоскости, что и пластины первого излучателя, подвижная пластина первого излучателя имеет контакт с большей кромкой неподвижной 35 пластиной второго, причем меньшие кромки неподвижных пластин расположены вдоль одной прямой. Отличительные признаки устройства характеризуют конструктивные элементы и их 40 взаимосвязь для обеспечения возможности одновременного изменения длины плечей и скачка фаз на их стыке. Это свойство устройства позволяет реализовать способ, отличительные признаки которого характеризуют 45 изменение условий возбуждения поля, что приводит к соответствующему изменению диаграммы направленности в контролируемом диэлектрике, т.е. при одновременном изменении длины плечей и скачка фаз на их 50 стыке, прямо пропорционального их длине вариации поля в точке приема имеют детерминированный характер, что обеспечивает возможность измерения диэлектрической проницаемости материала. 55 Таким образом, отличительные признаки изобретений являются общими, каждый из которых необходим и все вместе достаточны для достижения технического результата - снижения погрешности нахождения значений диэлектрической проницаемости 15543 и решения поставленной задачи - повышения точности. На фиг. 1 схематически изображен двухплечевой излучатель, реализующий данный способ; на фиг. 2 - блок-схема устройства для измерения диэлектрической проницаемости; на фиг. 3 - фронтальная проекция излучателя; на фиг. 4 - горизонтальная проекция излучателя. 10 Излучатель состоит из двух плечей; d < x < 0 -О < х < d каждое из которых возбуждается токами, зависимость от х которых в плоскости у=0 имеет вид для первого плеча Л е хр ( |^ х) и для второго j2=exp[i -д~- (х2d)]. В контролируемом диэлектрике, занимающем область у < О, этот излучатель формирует поле, нормированная диаграмма направленности которого в плоскости Z=0 имеет вид где d - длина плеча антенны; в- угол наблюдения, отсчитываемый от нормали к излучателю до направления на приемник; Хо - длина волны в свободном пространстве; Ль -длина волны в волноводе; е - диэлектрическая проницаемость. Сигнал, наблюдаемый под углом в, может быть представлен в виде произведения двух функций, одна из который нормированная диаграмма направленности излучателя, а другая - функция, пропорциональная мощности, излучаемой в диэлектрик. Изменяя d от 0 до величины в несколько длин волн, получим квазипериодическую функцию по d, положения нулей которой Лі при условии где dk - предельный размер плеча излучателя, определяется выражением ^ где 0=0,1,2.... откуда легко получается выражение для £ приводимое в формуле изобретения. Условие, налагаемое на диапазон углов 0, при которых необходимо производить из мерения, есть ничто иное, как требование необращения в нуль множителя диаграммы направленности которое с одной стороны дает возможность иметь максимально простой способ определения Е, приведенный в формуле изобретения, а с другой стороны, упрощает процедуру измерений, поскольку в определяемом диапазоне углов в имеются абсолютные максимумы излучения. Следует 15 отметить, что относительная погрешность определения периода следования нулей амплитуды, а вместе с ней и погрешность нахождения значения диэлектрической проницаемости будут тем меньше, чем 20 большее количество периодов используют для его вычисления. Но тем очевиднее вывод о том, что предлагаемый способ работает тем точнее, чем короче используемая длина волны. Ограничение сверху на пре25 дельные размеры апертуры излучателя накладывается условием нахождения приемника в дальней зоне. Устройство содержит генератор СВЧ 1, соединенный с делителем мощности 2 к вы30 ходам которого подключен соединенный с механизмом перемещения и отсчета 3 двухплечевой излучатель 4, размещенный на плоской грани контролируемого диэлектрика 5, приемник 6, связанный с механизмом 35 измерения угла наблюдения 7 и соединенный с измерительным прибором 8. Двухплечевой излучатель состоит из диэлектрических волноводов 9, расположенных над подвижной 11 и неподвижной 10 40 парами металлических пластин, находящихся в контакте с образцом диэлектрика с плоской гранью 5. Работает устройство следующим образом. 45 В исходном состоянии подвижные пластины 11 (см. фиг. 3.4) каждого из излучателей вплотную придвинуты к неподвижным 10. С помощью механизма перемещения и отсчета 3 (см. фиг. 2) подвижные пластины 50 каждого волноводного излучателя, связанные с соответствующими диэлектрическими волноводами 9 (см. фиг. 3,4). перемещают в противоположных направлениях, тем самым синхронно изменяют вели55 чину промежутка между подвижными 11 и неподвижными 10 пластинами каждого из излучателей. При этом в приемник 6 (см. фиг. 2), расположенный под углом вч который измеряют с помощью механизма 7, поступает прошедшая через образец волна, 15543 амплитуду пос лед ней регис триру ют измерительным прибором 8 при всех значениях величины промежу тка излучателей и так им образом получают завис имос ть амплитуд ы 8 прош едш ей волны от величины промежу тка. Полученная зависимос ть, как было отмечено выше, позволяет определить значение диэлектрической проницаемос ти материала. У Фиг. I U / /U //J /J У Л Фи г . 4 Упорядник Замовлення 4189 Техред М.Моргентал Коректор Л. Лукач Тираж Підписне Державне патентне відомство УкраТни, 254655, ГСП, КиТв-53, Львівська пл., 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вул.Гагаріна, 101