Спосіб визначення сферичності діелектричних резонаторів та пристрій для його здійснення

1. Спосіб визначення сферичності діелектричних резонаторів, що включає утворення хвиль типу "шепочучої галереї" у досліджуваному резона 3 71116 4 визначення малої та великої осей у еліпсоїді оберби та пристрої забезпечують високу точність, одтання визначають найменший та найбільший з нак потребують спеціального обладнання. виміряних діаметрів, знаходять їх величину та наНайбільш близьким по технічній суті є спосіб прямок. та пристрій, що описані у роботі авторів: Голик А. Класичним способом вимірювання куль (сфер) В., Деркач Β.Η., Прокопенко Ю.В., Филиппов Ю.Ф. та визначення їх несферичності (відхилення від "Измерение микроволновых параметров сред отксферичності) є вимірювання за допомогою прирытым квазиоптическим сферическим резонатострою - кругломіра, який дає змогу визначити найром", надрукованих у матеріалах 11-ої міжнародбільшу відстань точок реального профілю циліндної конференції "СВЧ-техника и ричних в поперечному розрізі або сферичних телекоммуникации, ионные технологии", КрыМиКо поверхонь від кола, що прилягає (охоплює) реаль2001 (г.Севастополь). Описаний спосіб включає ний профіль. Спосіб вимірювання кругломіром утворення хвиль типу шепочучої галереї за допозаснований на обертанні вимірювального наконемогою генератора високочастотних коливань у чника зазначеного пристрою відносно деталі, що сферичному діелектричному резонаторі та реєстконтролюється, або навпаки. Найбільш часто вирацію за допомогою приймача вимушених коликористовують кругломіри з обертальними наконевань, що виникли у досліджуваному резонаторі. чниками. Основний вузол кругломіра - прецизійний Пристрій, що реалізує цей спосіб, має високочасшпиндель або прецизійні направляючі столу. Цей тотний генератор, сферичний діелектричний резоспосіб використовують для перевірки внутрішні х та натор, металевий або діелектричний хвилевід, зовнішніх циліндричних та сферичних поверхонь відкритий кінець якого збуджує резонатор, та придіаметром від 3 до 1000мм. Результати вимірюймач. Описаний спосіб не дає можливості знаховання реєструються самозаписувачем зі збільдити відхилення від сферичності резонатора, у шенням від 2 до 2000 на діаграмному диску або якому збуджуються коливання типу шепочучої гастрічці; найбільша похибка вимірювання 0,05лереї. 0,8мкм. В основу пропонованого способу поставлена Відомі пристрої (а.с. СССР №979843 МПК3 задача: шляхом одержання частотного відгуку виG01В5/22, 1986; а.с. СССР №1652802 МПК5 мушених коливань типу шепочучої галереї у сфеG01В5/22, 1991; а.с. СССР №1776974 МПК5 роїдальному діелектричному резонаторі при пеG01В5/22, 1992.), що призначені для вимірювання реміщенні джерела збудження по азимутальній радіуса кривизни та відхилення поверхні від сфекоординаті φi відносно центра досліджуваного реричної, засновані на механічному способі вимірюзонатора визначити відхилення форми досліджування і мають переваги цього методу - дають абваного резонатора від ідеальної сфери, а у випадсолютне значення вимірюваного діаметра або ку еліпсоїда обертання визначити напрямок його абсолютне відхилення від еталону - та недовеликої та малої його осей. Вимірювання зводятьліки - значне тертя між опорою та вимірюваною ся до збудження коливань визначених типів, вимікулею приводить до того, що куля посковзнує та рювання їх резонансних частот, ідентифікації індеобертається нерівномірно; при вимірюванні куль з ксів цих коливань та розв'язування відповідного еластичного матеріалу вони можуть деформувадисперсійного рівняння. тися вимірювачем, що притискається, і викривляти Поставлена задача розв'язується таким чирезультати вимірювань. Еліптичність куль, полоном: у сфероїдальному діелектричному резонаторі ження малої та великої осей еліпсоїда обертання збуджуються хвилі типу шепочучої галереї, частоу Пат. РФ №2066841 МПК6 G01В5/22; 1996 пропота яких реєструється, при цьому точка збудження нується визначати по формі плями контакту, що, переміщується вздовж поверхні сфероїда. За визвісно, не забезпечить достатньо високої точності міряною частотою визначається радіус сфери, а за вимірювання. зміною частоти фіксується відхилення сфероїда З други х способів та пристроїв вимірювання від ідеальної сфери, у випадку еліпсоїда обертансфер заслуговують уваги оптичні: світлові та лазеня напрямки, які дають максимально рознесені рні - світловий потік або струмінь лазера направчастоти, визначають велику (мінімальна частота) ляється на виріб, спеціальні пристосування перета малу (максимальна частота) осі. міщують вимірюваний об'єкт або джерело світла Пристрій, який реалізує запропонований спочи лазерного променя, а лічильник фіксує початок сіб, включає сфероїдальний діелектричний резота кінець виробу (а.с. РФ №1111026 МПК3 натор, у якому хвилі типу шепочучої галереї збуG01В11/08, 1984; а.с. РФ №1116310 МПК3 джуються відкритим кінцем хвилеводу, поєднаного G01В11/08, 1984; а.с. РФ №1418565 МПК4 з генератором, вимушені коливання реєструються G01В11/08, 1988). Ці методи, як правило, безконприймачем, а спеціальне пристосування перемітактні, мають джерело світла або лазерного вищує зб уджуючий хвилевід над поверхнею сферопромінювання, передбачують його сканування або їдального резонатора. Це дозволяє, при необхідпереміщення вимірюваного зразка, фотоприймача ності, сортувати досліджувані резонатори по або іншого індикатора. Для підвищення точності та величині відхилення їх від ідеальної сфери, а якщо продуктивності вимірювань промінь лазера сканурезонатор близький до еліпсоїда обертання, проється по колу та проходить через отвір світловоду, понований пристрій дає можливість визначити перетинаючи деталь. Світловод вигнутий по дузі напрямок великої та малої осей цього еліпсоїда. кола, діаметр якого дорівнює відстані між центром Спосіб дозволяє визначити без попередніх сканування та торцем світловоду, фотоприймачі обмірів наскільки близький збуджуваний сферорозміщені з протилежної відносно скануючої сисїдальний резонатор до ідеальної сфери, якщо ж теми сторона деталі, що контролюється. Ці спососфероїд наближається до еліпсоїда обертання, то 5 71116 6 спосіб дуже просто та досить точно визначає нашення рівняння (1): таблиці пов'язували радіус прямок великої та малої осей еліпсоїда обертання. діелектричного сферичного резонатора, параметЯкщо визначити тип збуджених у резонаторі колири матеріалу, з якого його виготовлено, номер ТМ вань та знати величину діелектричної проникності моди з частотою коливань типу шепочучої галереї. матеріалу, з якого виготовлено резонатор, можна Зміна напрямку розповсюдження хвиль у репо відповідних формула х знайти розміри сферозонаторі з малим градієнтом кривизни шляхом їдального резонатора у довільних напрямках. переміщення джерела випромінювання по одній з При збудженні коливань у сферичному резокриволінійних координат дає змогу прослідкувати наторі відкритим кінцем хвилеводу, при довільній динаміку змінювання спектральних та енергетичкоординаті φi джерела випромінювання по відноних характеристик коливань. При φi=0 поля ТМ шенню до досліджуваного резонатора, у спектрі коливань на поверхні сферичного діелектричного вимушених коливань типу ШГ цього резонатора резонатора локалізуються в областях, що мають присутні одночасно моди ТМnml (в них відсутня форму неоднорідних пасків. Максимум інтенсивнорадіальна компонента високочастотного магнітності поля коливань з однією варіацією поля у попего поля Ηr=0) та ТЕnml (в них радіальна компонента речному розтині паска розміщується посередині електричного високочастотного поля Еr=0), індекси паска та в експерименті знаходиться по найбільn, m, l є числа варіацій поля по полярній θ, азимушій зміні амплітуди поля коливань при внесенні тальній φ, та радіальній r координатах, відповідно. малої поглинаючої неоднорідності у поле колиЕфективність збудження коливань ТЕ поляризації вання. При незначній зміні координати jі =0 частомала порівняно з ефективністю збудження ТМ та резонансного відгуку змінюється, а пасок поля мод, останні створюють на шкалі частот майже деформується. Ширина резонансного відгуку збіперіодичну залежність. льшується, а сам він стає сукупністю менших за Власна частота ізотропного діелектричного амплітудою резонансів. Результати ідентифікації сферичного резонатора з діелектричною проникніколивань показали, що вони відповідають одній моді з однаковими значеннями індексів n, m, 1. стю e 1 та магнітною проникністю m1 , розміщеного Несхожість між ними лише за частотою, тому що у дисперсному середовищі з діелектричною та вони створені хвилями, що розповсюджуються магнітною проникностями ε2μ2, відповідно, для р-ої вздовж поверхні діелектрика по різних траєкторіях, резонансної ТМ моди визначається розв'язком які відрізняються своєю формою та довжиною. дисперсійного рівняння Технічний результат, що досягається запропо' j j jn xp1 h' xp 2 нованим пристроєм, за допомогою якого здійснюaE = , (1) j j ється спосіб визначення сферичності діелектричjn xp1 hn xp2 них резонаторів, заключається у тому, що за де допомогою високочастотних вимірювань реєструj j ються геометричні розміри сфероїдальних резонаxpl = eimi k pr0 ; торів, визначаються відхилення їх від ідеальної j j сферичної форми, фіксуються напрямки великої kp = wp / c; та малої осей у еліпсоїді обертання. j wp - резонансна частота р-ої моди j-го колиСуть винаходу пояснюється ілюстраціями: на фіг.1 зображена схема установки, яка дозволяє вання; під індексом p розуміється потрійний індекс здійснити запропонований спосіб; на фіг.2 - графік nml, де n-полярний, m-азимутальний, l-радіальний резонансних відгуків коливань, які виникають при індекси; зміні координати φi джерела випромінювання у jn( x ) = px / 2Jn +1/ 2 (x ); інтервалі значень 0 — 90°; на фіг.3 зображена за) лежність частот максимумів резонансних відгуків hn (x ) = p x / 2H(1+1( x ); n від кута повороту азимутальної координати φ для Jv ( x) та H(1) - циліндричні функції Бесселя та конкретного еліпсоїда обертання виготовленого з n фторопласту. Ханкеля першого роду. Розвинуту теорію можна Запропонований спосіб здійснюється утворенпримінити для знаходження мікрохвильових хараням хвилі шепочучої галереї у діелектричному ктеристик матеріалів або визначення розмірів ресфероїді 1 відкритим кінцем хвилеводу 2, що з'єдзонатора, якщо відомі параметри матеріалу, з яконаний з широкосмуговим генератором високочасго виготовлено резонатор та визначені індекси тотних коливань 3. Вимушені коливання, що винимоди ШГ. кають у досліджуваному сфероїді, надходять до Розв'язок дисперсійного рівняння (1) однознаприймача 4. Відкритий кінець металевого збуджучно зв'язує характеристики матеріалу резонатора: ючого хвилеводу 2, з одного боку, та діелектрич' дійсну частину діелектричної проникності e i та ний резонатор 1, з другого боку, розташовані у '' тримачі 5, який може вільно обертатися разом зі уявн у - e i , з розмірами резонатора та номером сфероїдом навколо осі хвилеводу вздовж азимумоди ТМ коливань по координаті φ. Розходження тальної координати j в межах 0-360°. Діелектричміж теоретичними та експериментальними спектний резонатор розташовано у тримачі на відстані ральними характеристиками сапфірового резона1мм від збуджуючого хвилеводу. тора було не більше ніж 0,3%. Для фторопластоЗапропонований пристрій для визначення вого еліпсоїда обертання, що досліджувався як сферичності діелектричних резонаторів містить практичне здійснення запропонованого способу, діелектричний сфероїд 1, розташований в тримачі була складена спеціальна програма на основі рі5. Тримач має вигляд відрізка пустотілого цилінд ( ) ( ) ( ) ( ) 7 71116 8 ру. З одного боку в тримачі розташований діелектджерела випромінювання хвиль з полями вимуричний сфероїд 1, з іншого - джерело випромінюшених коливань досліджуваного сфероїда та вивання хвиль — відкритий кінець металевого хвизначались амплітуди резонансних відгуків колилеводу 2, розміщений у металевій склянці 6 вань. Ідентифікація мод та вимірювання розподілу круглого розтину. Спектр резонансних частот сфеїх полів по поверхні еліпсоїда здійснювалася мероїдального резонатора вимірювався по схемі "на тодом зонда. Спектри вимушених коливань вимівідбиття" при слабкому зв'язку. рювались при зміні азимутальної координати φі, Запропонований пристрій для визначення джерела випромінювання у площині перетину ресферичності діелектричних резонаторів працює зонатора, яка утворена його великою та малою таким чином: у діелектричному резонаторі 1 сфеосями (Фіг.1). Навіть при незначній зміні координароїдальної форми відкритим кінцем хвилеводу 2, ти φі, джерела випромінювання відносно φі=0 часз'єднаного з генератором 3, збуджуються хвилі тота резонансного відгуку знижується, а пасок потипу шепочучої галереї. Хвилі (коливання) реєстля деформується. Ширина резонансного відгуку руються у приймачі 4. Тримач резонатора має мозбільшується, а сам він стає сукупністю менших за жливість обертання навколо осі збуджуючого хвиамплітудою резонансів. Результати ідентифікації леводу вздовж азимутальної координати φ. Таким цих коливань показали, що вони відповідають одчином здійснюється можливість зміни положення ній моді з однаковими значеннями індексів n, m, 1. площини розкриву джерела випромінювання відВідмінність між ними заключається лише у частоті, носно геометричних осей сфероїда. Іншою мовою, бо вони утворені хвилями, які розповсюджуються створюється можливість зміни напрямку збудженвздовж поверхні діелектричного резонатора по ня хвиль шепочучої галереї в діелектричному різних траєкторіях, що розрізнюються своєю форсфероїді відносно напрямку його геометричних мою та відстанню (Фіг.2). Максимальні значення осей. резонансних відгуків лінійно залежать від азимуЗапропонований спосіб визначення сферичнотальної координати φi, (Фіг.3). Напрямок, за яким сті діелектричних резонаторів здійснено у діапазоспостерігається максимальна частота, визначає ні 27-36ГГц на еліпсоїді обертання виготовленого з напрямок малої осі досліджуваного діелектричного фторопласта з геометричними півосями: великою еліпсоїда обертання, а мінімальна частота - на20мм та малою - 19мм. Джерелом випромінювання прямок великої осі. Із залежності, представленій був відкритий кінець металевого хвилеводу з розна фіг.3 видно, що для визначення напрямків осей мірами 7.2х3.4мм 2, який розміщувався на відстані у еліпсоїді обертання з точністю до 1° досить фік1мм від поверхні сфероїда. Тримач резонатора сува ти частоту з точністю 3,5 МГц, з чим впораєтьбув виготовлений з пористого пінопласту, діелектся навіть грубий хвилемір. Сучасні хвилеміри вирична проникність якого близька до діелектричної значають частоту у зазначеному діапазоні з проникності повітря. Вимірювалися резонансні точністю до 1Гц, що дає змогу запропонованим частоти коливань панорамним вимірювачем коеспособом визначити напрямок осей еліпсоїда обефіцієнта стоячих хвиль - КСХН. По величині одерртання с точністю до 1'. жаних сигналів встановлювалися рівні зв'язку 9 Комп’ютерна в ерстка В. Мацело 71116 Підписне 10 Тираж 37 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601