РЕЗОНАНСНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

RESONANCE METHODS FOR MEASURING THE PARAMETERS OF DIELECTRIC SUBSTANCES

Kirill Novikov

master student, Department of KiPRA, Penza State University,

Russia, Penza

Nikita Koshelev

master student, Department of KiPRA, Penza State University

Russia, Penza,

Alexander Tsuprik

master student, Department of KiPRA, Penza State University,

Russia, Penza

Ilya M. Rybakov

Academic Supervisor, Ph.D., Associate Professor, Department of KiPRA, Penza State University,

Russia, Penza

АННОТАЦИЯ

В данной статье авторами представлена методика измерения параметров диэлектрических материалов в широком диапазоне частот, основанная на изменение свойств различных колебательных систем.

ABSTRACT

In this article, the authors present a technique for measuring the parameters of dielectric materials in a wide frequency range, based on changing the properties of various vibration systems.

Ключевые слова: диэлектрик, колебательная система, Q-метр, измеритель полных проводимостей, коаксиальный объемный резонатор

Key words: dielectric, oscillatory system, Q-meter, admittance meter, coaxial cavity resonator

Введение

На частотах до 300 МГц, классифицируемые, как умеренно высокие в качестве колебательной системы обычно используют Q-метр. В случае если условия измерений ставятся таким образом, что использование Q-метра невозможно, либо ведет за собой нецелесообразные траты, как показывает практика такая ситуация возникает в неспециализированных лабораториях и предприятиях, не ориентированных на работу с данным типом измерений, есть смысл использовать в качестве колебательной системы измеритель полных проводимостей. За объект измерений в данной методике чаще всего принимают специальный образцовый конденсатор, между обкладками которого помещают пластину исследуемого диэлектрика. Этот конденсатор подключается параллельно контуру используемой колебательной системы.

Измерение базовых параметров диэлектрического материала

Согласно предлагаемой методике, параметры диэлектрика определяются следующим образом. Емкость исследуемого вещества есть ни что другое, как отношение емкости образцового конденсатора с образцом исследуемого диэлектрического материла к емкости конденсатора без него.

                                                                     (1)

Для нахождения тангенса угла потерь материала необходимо измерить добротность колебательного контура с исследуемым диэлектрическим материалом и без него. По результатам измерений легко рассчитать tg δ, воспользовавшись следующей формулой:

                                                       (2)

где  – общая емкость контура;

 – собственные добротности контура с исследуемым диэлектриком и без него.

Измерение основных параметров диэлектрических материалов в СВЧ диапазоне

В диапазоне СВЧ в качестве колебательных систем возможно использование коаксиальных объемных резонаторов. Согласно описываемой методике наиболее простым способом измерения характеристик вещества является нахождение резонансной частоты и добротности резонатора, заполненного и не заполненного исследуемым веществом, и на основе полученных данных с помощью простых формул получить нужные нам значения. Ниже представлена формула для расчета характеристик, по экспериментальным данным:

                                                      (3)

где , ,  – резонансная частота и добротность не заполненного и заполненного исследуемым материалом резонатора.

Представленный метод идеально подходит для определения параметров газов, жидкостей и сыпучих материалов. Существенный недостаток предлагаемого метода заключается в довольно большой погрешности при вычислении тангенса угла потерь по формуле (3). В ходе многочисленных испытаний выявлена причина этого негативного явления. Диэлектрическая проницаемость материалов, измерение характеристик которых мы проводили, была сильно отлична от единицы. Так сложности при проведении практических испытаний вызывало то, что заполнить весь объем резонатора твердым диэлектрическим веществом не представляется возможным. Поэтому при измерении параметров твёрдых диэлектриков целесообразнее использовать метод, описанный далее по тексту. Суть его заключается в том, что диэлектрическим материалом заполняется не весь объем резонатора, а только его часть. Внутри резонатора помещают образец исследуемого вещества в форме шайбы, так чтобы его края плотно прилегали к стенкам резонатора.

Для расчета диэлектрической проницаемости материала по результатам эксперимента можно воспользоваться тем, что на границе диэлектрика внутри резонатора выполняется условие:

                                                  (4)

где ,  – волновое сопротивление и постоянная распространения в линии без диэлектрика.

Выражение (3) представляет собой трансцендентное уравнение для определения . Для удобства восприятия и последующих вычислений перепишем его в следующем виде:

                                                          (5)

Вывод

Представленная в данной статье методика определения характеристик (диэлектрическая проницаемость, тангенс угла потерь) диэлектрических материалов доказала свою эффективность в ряде опытов и испытаний. Применение описанных выше метод в условиях современных предприятий не только ускорит сам процесс измерения необходимых характеристики, но и позволит узнать известные производству материалы с новых невиданных сторон.

Список литературы:

1. Данилин, А. А. Измерения в радиоэлектронике : учебное пособие / А. А. Данилин, Н. С. Лавренко ; под редакцией А. А. Данилина. — Санкт-Петербург : Лань, 2017. — 408 с. — ISBN 978-5-8114-2238-8. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/89927 (дата обращения: 08.10.2020). — Режим доступа: для авториз. пользователей.
2. Юрков, Н. К. Технология производства электронных средств : учебник / Н. К. Юрков. — 2-е изд., испр., доп. — Санкт-Петербург : Лань, 2014. — 480 с. — ISBN 978-5-8114-1552-6. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/41019 (дата обращения: 08.10.2020). — Режим доступа: для авториз. пользователей.