Датчик нвч-вимірювань

Полезная модель относится к технике неразрушающи х измерений и контроля на СВЧ электрических параметров плоских диэлекрических образцов, Из известных измерительных СВЧ-датчиков наиболее близким по технической сущности - прототипом является резонансный датчик СВЧ-измерений, содержащий отрезки запредельного пустого цилиндрического волновода и запредельный радиальный волновод, образующие волноводное разветвление, в котором размещается исследуемая диэлектрическая подложка [1], Описанный СВЧ-датчик позволяет с более высокой степенью точности (@ 1-2% по значению диэлектрической проницаемости e) проводить неразрушающие измерения и контроль параметров диэлектрических подложек, при этом рабочим типом является колебание Н 011· Однако, его основным недостатком является ограничение, связанное с толщиной исследуемого образца Imax 0,89а). В образованном проточками частично заполненном контролируемым материалом резонаторе вследствие "диэлектрического эффекта" [3] суммарные потери будут близки к величине потерь этого материала. По этой причине в данном датчике реализуется высокодобротные колебания. Величины их собственных добротностей Q0, в первом приближении, обратно пропорциональны tg d контролируемого материала. При этом повышается точность измерения и контроля e за счет увеличения точности определения резонансной частоты, поскольку, чем выше значение Q0, тем уже ширина резонансной кривой. Установка диэлектрических втулок в проточках конструкции датчика позволяет уменьшить радиус контролируемого участка и повысить тем самым точность определения координат неоднородностей. Набор диэлектрических втулок с различными значениями e1 и одинаковыми размерами а, L позволяет произвести оперативную "перестройку" датчика на требуемый частотный диапазон, зависящий от толщины подложки и ее диэлектрической проницаемости. Сопоставление результатов измерений (контроля), полученных в различных частотных диапазонах, повышает точность измерения (контроля) материальных параметров подложки. Установка диэлектрических втулок с различными радиусами а 2 расширяет возможность оперативной "перестройки" датчика на требуемый частотный диапазон, поскольку число пригодных к использованию на СВЧ-диэлектрических материалов с различным значением ε весьма ограничено. Втулки, выполненные из одного и того же диэлектрического материала, нос различными значениями а 2 "настраивают" датчик на различные частотные диапазоны. В первом варианте исполнения дополнительный резонансный элемент образован симметричными проточками определенных размеров, которые обеспечивают условия существо вания по крайней мере одного собственного колебания Н 011 при произвольной толщине подложки L. Данный тип датчика целесообразно использовать для интегрального контроля качества подложки как по величине ε, так и по величине tg d. В случае выполнения датчика по п.2 и п.3 еще больше расширяется диапазон измерений параметров подложек по толщине I, при этом дополнительный резонансный элемент образован, в первую очередь, диэлектрическими втулками определенных размеров. Чем выше значение диэлектрической проницаемости втулки, тем меньшим радиусом a1 могут быть обеспечены условия существования по крайней мере одного собственного колебания Нои. В различных вариантах конструкции радиус проточки а і может быть равным или даже меньше радиуса входного запредельного волновода а (датчик по п.2). Радиус втулок а 2 может быть меньше радиуса входного запредельного волновода а (датчик по п.3). Различные типы датчиков целесообразно использовать как для точного установления координат возможных неоднородностей тестируемой подложки (датчик по п.2), так и при тестировании подложек разных типов (датчик по п.3). Соотношение (1) получено из электродинамической модели о собственных аксиально-симметричных колебаниях Ноmn - типов в разветвлении запредельных волноводов. Суть используемой модели состоит в выделении в геометрии задачи в области разветвления цилиндрической области, координатная поверхность которой совпадает с поверхностью проточки. Решение волнового уравнения в выделенной области представлено в виде суммы решений двух однородных задач аналогично тому, как это было сделано нами для случая разветвления прямоугольных волноводов [4]. Особенностью данной модели является высокая точность основного приближения, которое в нашем случае принимает форму (1). В предельном случае, при переходе от заявляемой конструкции датчика к прототипу, соотношения (1) преобразуются в известные [1]. Радиус проточки a1, диэлектрической втулки а 2 (по п.3 формулы изобретения) и глубина проточки L выбираются из(1) путем численного решения на ЭВМ или компьютере с применением итерационных схем, например, RTMI или ZEROINE. На фиг.1 приведена конструкция датчика по п.1. На фиг.2 и фиг.3 приведены варианты конструкции датчика по п,2 и п.3 соответственно. Датчик содержит два равных отрезка цилиндрического запредельного волновода 1 и запредельный плоский волновод 2, образующие волноводное разветвление, в которое помещена исследуемая диэлектрическая подложка 3. Сама подложка непосредственно закреплена в рамке 4, которая подсоединена к устройству (на чертеже не показано) измеряющему величину смещения рамки относительно начального положения. В месте соединения цилиндрических и плоского волноводов выполнены осесимметричные цилиндрические Проточки 5 радиуса a1 и глубиной L, выбранные из соотношения; - модифицированные функции Бесселя и Макдональда, lp рабочая длина' волны, і -толщина диэлектрической подложки. Отрезки цилиндрического волновода снабжены волноводно-коаксиальными переходами 6, один из концов которых включен в тракт автоматического измерителя КСВН и затуханий (на чертеже не показан), а другой конец выполнен в виде петлевого элемента связи 7 для возбуждения рабочего типа резонанса Н011 По краям нижней плоскости радиального волновода запрессованы штыри 8, которые являются направляющими для верхней плоскости радиального волновода и позволяют измерять диэлектрические образцы различной толщины без изменения соосности подводящих цилиндрически волноводов. Для равномерного прижима плоскостей радиального волновода к поверхностям исследуемых диэлектриков, на направляющих штырях закреплены прижимные пружины 9. Для придания устойчивости, датчик крепится на стойках 10. При выполнении конструкции датчика по второму варианту, в цилиндрические осесимметричные проточки 5 установлены идентичные диэлектрические втулки 11, радиусом a1 и высотой h, выбранные из соотношения (1) при h =· L и постоянной распространения Г равной: где e1 - диэлектрическая проницаемость втулок, Варьируя величину радиуса проточек а і, можно получить радиус а 2 втулок как больше радиуса входных волноводов а, так и меньше его. При этом радиусы а 2 втулок и проточек а 1 совпадают. На фиг.2 изображен вариант, при котором радиус проточки а1 меньше радиуса а входных волноводов. При выполнении конструкции датчика по третьему варианту, в цилиндрические осесимметричные проточки 5 введены идентичные диэлектрические втулки 12, радиусом а2 (при этом радиус втулок а 2 меньше радиуса проточек а1, а2 < a1) и высотой h, которые выбраны из соотношения (1) припостоянной распространения Г, рассчитанной из выражения: функции Бесселя и Неймана нулевого и первого порядков, lр - длина волны в свободном пространстве Датчик работает следующим образом, С помощью волноводно-коаксиальных переходов 6 датчик включен в тракт автоматического измерителя КСВН и затуханий. Исследуемая диэлектрическая подложка 3 закреплена на раме 4 датчика, которая размещена внутри плоского волновода таким образом, чтобы тестируемый участок находился в области разветвления, образованного осесимметричными цилиндрическими проточками 5 (по п.1), по π 2 и п.3 - диэлектрическими втулками 11, (12), в проточках 5 и плоскостями радиального волновода 2 При включении генерации, в резонансном объеме, образованном исследуемым диэлектрическим образцом и дополнительными резонансными элементами с помощью элементов связи 7 возбуждается колебание Holt·, амплитудно-частотная характеристика которой наблюдается на экране индикаторного устройства измерителя КСВН и затуханий. Измерив частоту данного резонанса и использовав соотношения для конкретного варианта конструкции датчика определяется значение диэлектрической проницаемости e исследуемого диэлектрического образца произвольной толщины. Конструкция датчика по п,1 была испытана в лабораторных условиях при измерениях диэлектрической проницаемости e керамической пластины толщиной I=5,6 мм. Радиус цилиндрических волноводов равнялся а=6 мм, а радиус a1 и глубина L цилиндрических проточек составляли: a1 = =6,85 мм, L = 2 мм. Измеренная резонансная частота составила: f p = 5458 МГц и, отсюда, вычисленное значение ε равнялось: e=23,5. Относительный размер Iа составил величину 0,933. Для аналогичного датчика без проточек (для прототипа) резонанс Нои не наблюдался, т.к. максимально возможная толщина пластины в данном случае не могла превышать значения I/а = 857, т.е. I max @5,14 мм. Таким образом, экспериментальные испытания подтвердили возможность создания датчика СВЧизмерений с широким диапазоном измерений параметров подложек по толщине І в заданном частотном диапазоне