Квазіоптичний діелектрометр

Квазіоптичний діелектрометр, що містить діелектричний резонатор, високочастотний генератор, з’єднаний зі збуджуючим хвилеводом, та приймач, який відрізняється тим, що діелектричний резонатор є частиною півкулі, обмеженого сферичною поверхнею, основою та двома площинами, симетричними відносно діаметральної площини, які перетинають основу на відстані λ , де λ - довжина хвилі вимірювання в речовині, причому кут між обмежувальними площинами дорівнює α , де α - кут, що визначає частину півкулі з максимальною енергією біжучої хвилі. (19) (21) u200512888 (22) 30.12.2005 (24) 15.08.2006 (46) 15.08.2006, Бюл. № 8, 2006 р. (72) Кириченко Олександр Якович, Когут Олександр Євгенович, Кутузов Володимир Володимирович, Смирнова Тамара Олександрівна, Солодовник Василь Андрійович (73) ІНСТИТУТ РАДІОФІЗИКИ ТА ЕЛЕКТРОНІКИ ІМ. О.Я.УСИКОВА НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ 3 Відомий пристрій для вимірювання діелектричної проникності по зміні частоти автогенератора при внесенні досліджуваного діелектрика в його резонансну систему у вигляді відрізка коаксіальної лінії, що збуджується ЛПД (лавино пролітним діодом) чи діодом Ганна. Порівняно з електровакуумними приладами такі генератори мають малі розміри, потребують джерела живлення малої потужності, дають змогу перестроювати частоту у широкому діапазоні та забезпечують високу стабільність частоти [Электронная техника. Сер.1, Электроника СВЧ.1978г., вып.8, с.100-102. В.А. Двинских, В.Г. Дувинг, Д.А. Усанов "Полупроводниковый генератор для измерения диэлектрической проницаемости материалов на СВЧ"]. При зміні є в інтервалі 1-30 з використанням серійних кремнієвих ЛПД діапазон перестроювання частоти генерації складав 280МГц. Найбільш близьким за технічною суттю є пристрій, що представлено в доповідях КрыМиКо 2004г. "СВЧ-техника и телекоммукационные технологии" г.Севастополь. Кириченко А.Я., Когут А.Е. "Автодинный метод исследования диэлектрических свойств жидкостей в 8-мм диапазоне длин волн". Пристрій виконано у вигляді діелектричного півдиска, виготовленого з тефлону, розміщеного на металевому дзеркалі, в отворах якого розміщені модулі з діодами Ганна. Взаємодія НВЧ поля з вимірюваними зразками здійснювалась у тефлоновому капілярі, який через отвір у півдиску розміщувався в області максимуму поля. Недоліком цього пристрою ми вважаємо недостатню чутливість, яка обумовлена не досить високою добротністю напівдискового резонатора, виготовленого з тефлону. Хоч матеріал цей зручний для механічної обробки станками, і tg 1 4 10 4 повинен би забезпечити високі зна, чення власної добротності, але значні втрати з плоских граней суттєво зменшують власну добротність такого резонатора. Відомо, що найбільш привабливими з точки зору високих показників електродинамічних характеристик є коливання шепочучої галереї, що збуджені у шарових та напівсферових діелектричних резонаторах. Вся поверхня шару знаходиться в одній координатній площині, не має різких змін своєї поверхні, і це обумовлює найбільш високі значення власної добротності шарового резонатора. Металеве дзеркало в конструкції напівсферового ДР знижує в деякій мірі власну добротність резонатора, натомість дає змогу ефективно його збуджувати джерелом, що розміщують на дзеркалі, Це в значній мірі вирішує також проблему відведення тепла в області розміщення активних елементів. Однак у шарових та напівсферових ДР є недоліки, які зашкоджують їх використанню в НВЧ техніці: густота спектру резонансних частот та виродження коливань ШГ , коли на одній резонансній частоті збуджуються n+1 коливання, де n - їх полярний індекс. Будь-яка неоднорідність ДР, наприклад, зовнішній елемент у полі коливань ШГ, знімає виродження та тим самим згущує спектр резонансних коливань. 16395 4 В основу пропонованої корисної моделі поставлено задачу вдосконалити квазіоптичний діелектрометр шляхом виявлення оптимальної форми резонатора, що дозволить підвищити чутливість квазіоптичного діелектрометра. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому квазіоптичному діелектрометрі, що складається з діелектричного резонатора, високочастотного генератора, поєднаного зі збуджуючим хвилеводом та приймачем, згідно з корисною моделлю, діелектричному резонатору задано форму частини напівсфери, обмеженого сферичною поверхнею, основою та двома площинами симетричними відносно діаметральної площини напівсфери, які перетинають основу на відстані (де довжина хвилі вимірювань у матеріалі), при чому кут між обмежувальними площинами дорівнює (де - кут, що виділяє частину напівсфери з максимальною концентрацією енергії біжучої хвилі). На основі досліджень, проведених раніше [Харьковский С.Н., Когут А.Е., Солодовник В.А. Письма в ЖТФ. 1995. Т.21, №18. С.38], ми знайшли на поверхні напівсферового резонатора області найбільшої концентрації поля резонансних коливань та виділили їх у резонаторі нової форми. Каустичними межами у такому діелектричному резонаторі є геодезичні лінії на поверхні шару такі, що всі нормалі до них завжди направлені до центра шару та лежать у одній площині. Технічний результат, що досягається запропонованою корисною моделлю, заключається у тому, що діелектричний резонатор спеціальної форми має більшу добротність порівняно з напівдисковим резонатором прототипу та меншу густину спектру ніж у відомих шарових та напівсферових резонаторах, що збільшує точність визначення дійсної ' та уявної ' ' частин діелектричної проникності. Суть запропонованої корисної моделі ілюструється Фіг.1 та Фіг.2, на яких показано як з фторопластової напівкулі радіусом 39мм , що розташована на плоскому мідному дзеркалі, виділити резонатор, що має більшу добротність ніж напівдисковий резонатор та менш густий спектр коливань порівняно з напівсферовим резонатором. Коливання ШГ у такому резонаторі у діапазоні 3037ГГц збуджувались через щілину зв'язку розмірами 7,2х1,0мм2 на дзеркалі відкритим кінцем металевого хвилеводу, що звужувався вздовж вузької стінки. Щілина на дзеркалі орієнтувалась перпендикулярно радіусу півкулі, з якої був виготовлений запропонований резонатор. При цьому ефективно збуджувались коливання шепочучої галереї Е-поляризації. (Коливання Н-поляризації ефективно збуджуються щілиною, розташованою вздовж радіуса півкулі). Таким чином вже орієнтацією збуджуючої щілини вдається розрідити спектр збуджуваних коливань. Сигнал, що відбивається від щілини зв'язку, реєструвався приймачем на екрані панорамного вимірювача КСХН або записувався двокоординатним самозаписувачем. Власна добротність коливань визначалась методом вимірювання повного опору. Головним у пропонованій корисній моделі є чистота спектру, яку забезпечує резонатор спеціа 5 льної форми, крім того, його коливання не вироджені. Інформативною з точки зору дослідження резонансних втрат енергії коливань в ДР є залежність власної добротності від частоти. На Фіг.3 приведені експериментальне отримані значення власних добротностей у резонаторі, що пропонується в корисній моделі (1) та напівдискових ДР висотою 25мм (2), 12мм (3) та 7,2мм (4). Порівняння результатів дослідження цього резонатора (крива 1) та напівдискових резонаторів різних діаметрів, які відповідають різним розмірам резонатора в корисній моделі (криві 2, 3, 4), показує, що ь області частот вище 34,5ГГц власна добротність резонатора, який запропоновано у нашій корисній моделі перевищує добротності усіх напівдискових резонаторів, що досліджувались.. Дослідження механізму радіаційних втрат енергії коливань в низькочастотній та високочастотній областях показало, що найбільш високими є радіаційні втрати енергії з плоских граней резонатора. Це також було підтверджено у роботі [Когут А.Е., Кутузов В.В., Филиппов Ю.Ф., Харьковский С.Н. Изв. ВУЗов, Радиоэлектроника. 1997. Т.40, №2, С.19]. Поясок поля коливань напівсферового ДР при зниженні резонансної частоти коливань розширюється, таким чином ці втрати можуть бути обумовлені невідповідністю розмірів резонатора розмірам області локалізації поля на його сферичній поверхні. Без додаткових досліджень по оптимізації форми резонансна комірка у запропонованій корисній 16395 6 моделі має в області частот вище 34,5ГГц більш високу добротність (на частоті 37ГГц це збільшення досягає більше ніж 50%). Запропонована корисна модель працює таким чином: у резонаторі спеціальної форми 1 відкритим кінцем хвилеводу 2, з'єднаного з генератором 3, збуджуються хвилі типу шепочучої галереї, які реєструються у приймачі 4. Запропонована корисна модель досліджувалась в області частот 31-37ГГц, резонатор вифрезеровано з фторопластової півкулі діаметром 39мм так, що його вузькі частини, які торкаються дзеркала, мають розміри 12мм, а на куполі - 25мм. Джерелом збудження коливань ШГ був відкритий кінець металевого хвилеводу 7,2х3,4мм2, який плавно звужувався по вузькій стороні до розміру 7,2х1,0мм2. Вимірювались резонансні частоти коливань панорамним вимірювачем коефіцієнта стоячих хвиль - КСХ. Ідентифікація мод та вимірювання розподілу їх полів по поверхні бочкоподібного резонатора здійснювалися методом зонда. Проведені дослідження запропонованої корисної моделі показали, що на частотах вище 34ГГц вона забезпечує вищу чутливість ніж пристрій з напівдисковим резонатором. Тому запропонована корисна модель, доцільно використовувати у багатьох НВЧ пристроях, як-то суматорах потужностей, стабілізаторах частоти, вимірювачах діелектричної проникності матеріалів, тощо. 7 Комп’ютерна верстка А. Рябко 16395 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601