Государственный первичный эталон единиц относительных диэлектрической и магнитной проницаемостей в диапазоне частот от 1 МГц до 18 ГГц

Page 1

Page 2

«КАБЕЛЬ-news», декабрь-январь 2009/2010

Производство

ÝÒÀËÎÍ

Государственный первичный эталон
единиц относительных диэлектрической
и магнитной проницаемостей
в диапазоне частот от 1 МГц до 18 ГГц

В октябре 2009 года приказом Фе-

дерального агентства по техническому

регулированию и метрологии утверж-

ден новый Государственный первич-

ный эталон единиц относительных

диэлектрической и магнитной про-

ницаемостей в диапазоне частот от 1

МГц до 18 ГГц. Развитие электронного

приборостроения и микроэлектро-

ники, радиолокации и средств свя-

зи, телевидения и информационно-

телекомуникационных систем в

существенной степени зависит от ме-

трологического обеспечения техноло-

гий производства новых перспективных

материалов для ВЧ и СВЧ диапазонов.

В настоящее время перед промыш-

ленностью стоит задача разработки

новых радиотехнических материалов,

а также методов и средств измерений

относительной комплексной диэлек-

трической и магнитной проницаемос-

тей материалов в широком диапазоне

частот вплоть до 100 ГГц.

Ряд ведущих предприятий России,

среди которых концерн Алмаз-Антей,

ОАО «Гириконд», ОКБ Кабельной про-

мышленности, ЦКБ Радиоматериалов,

научно-производственная фирма «Ми-

кран» и др., поставили перед ФГУП

«СНИИМ» и Ростехрегулированием

задачу расширения пределов воспро-

изводимых и передаваемых единиц

относительной диэлектрической и

магнитной проницаемости в диапазон

частот до 20 ГГц и обеспечения един-

ства измерений электромагнитных

свойств материалов на ВЧ и СВЧ.

Эти предприятия разрабатыва-

ют новые современные материалы в

широком диапазоне электромагнит-

ных свойств, различные элементы и

устройства СВЧ техники, в том числе

и в оборонном комплексе. Некоторые

материалы и изделия на их основе

представлены на рис. 1.

Для всех этих элементов электро-

магнитные свойства материалов и

устройства должны измеряться и

контролироваться с высокой степе-

нью точности. Ключевую роль при

этих разработках играют методы из-

мерения электромагнитных свойств

материалов на высоких и сверхвысо-

ких частотах при различных внешних

воздействиях. Оборудование для ис-

пытаний электронной компонентной

базы стратегически значимых для на-

циональной безопасности объектов

также нуждается в метрологическом

обеспечении.

Н.М. Карих

, канд. техн. наук,

В.Ф. Матвейчук

, канд. техн. наук,

А.В. Серов, С.Н. Сибирцев, Н.Н. Черноусова,

канд. техн. наук

Рис.1. Диэлектрические резонаторы, устройства селекции, фильтры,
планарные конденсаторы, подложки и другие изделия

Page 3

«КАБЕЛЬ-news», декабрь-январь 2009/2010

Производство

ÝÒÀËÎÍ

Отсутствие метрологического обе-

спечения измерений электромагнит-

ных свойств радиоматериалов в Рос-

сии в диапазоне частот от 10 до 20 ГГц,

является сдерживающим фактором

отечественного приборостроения, в

том числе и в оборонном комплексе.

ФГУП «СНИИМ» в соответствии с

Приказом Госстандарта является го-

ловной организацией в области обе-

спечения единства измерений элек-

тромагнитных свойств материалов на

ВЧ и СВЧ. В 2006 году Федеральным

агентством по техническому регулиро-

ванию и метрологии была поставлена

работа по созданию Государственного

первичного эталона единиц относи-

тельных диэлектрической и магнитной

проницаемостей в диапазоне частот

от 1 МГц до 18 ГГц для обеспечения по-

требностей промышленности в метро-

логическом обеспечении разработки,

производства, как материалов, так и

изделий на их основе. При создании

эталона использованы научные раз-

работки, полученные по выполненным

в институте договорам с различными

предприятиями России. Максимально

использован зарубежный опыт веду-

щих лабораторий мира NIST и NPL, а

также рекомендации Международных

организаций, в частности, Междуна-

родной электротехнической комис-

сии (МЭК) по методам измерений [1]

и МБМВ в части оценки стандартных

неопределенностей результатов изме-

рений [2].

Государственный первичный эта-

лон единиц относительных диэлектри-

ческой и магнитной проницаемостей

ГЭТ 174-2009 предназначен для вос-

произведения, хранения единиц отно-

сительных диэлектрической, магнит-

ной проницаемостей и тангенса угла

диэлектрических и магнитных потерь

в диапазоне частот от 1 МГц до 18 ГГц и

передачи единиц с помощью эталонов

средствам измерений, применяемым в

производственной и научной сферах

экономики с целью обеспечения един-

ства измерений в стране.

Государственный первичный эта-

лон единиц относительных диэлектри-

ческой и магнитной проницаемостей

представляет собой комплекс средств

измерений, в состав которого входят:

• эталонная установка для воспро-

изведения единиц относительной маг-

нитной проницаемости (

΄) и тангенса

угла магнитных потерь (

tgδ

) в диапа-

зоне частот от 1 до 200 МГц, ЭУ — 1;

• эталонная установка для воспро-

изведения единиц относительной диэ-

лектрической проницаемости (ε΄) в ди-

апазоне частот от 1 до 200 МГц, ЭУ — 2;

• эталонная установка для воспро-

изведения единиц относительных

диэлектрической (

΄) и магнитной (

΄)

проницаемостей и тангенса угла диэ-

лектрических (

tgδ

) и магнитных (

tgδ

)

потерь в диапазоне частот от 600 МГц

до 4 ГГц, ЭУ — 3;

• эталонная установка для воспроиз-

ведения единиц относительной диэ-

лектрической проницаемости (

΄) и

тангенса угла диэлектрических потерь

(

tgδ

) в диапазоне частот от 200 МГц до

2 ГГц, ЭУ — 4;

• эталонная установка для воспроиз-

ведения единиц относительной диэ-

лектрической проницаемости (

΄) и

тангенса угла диэлектрических потерь

(

tgδ

) в диапазоне частот от 1 до 18 ГГц

(на основе конструкции радиального

волновода), ЭУ — 5;

• эталонная установка для воспроиз-

ведения единиц относительной диэ-

лектрической проницаемости (

΄) и

тангенса угла диэлектрических потерь

(

tgδ

) в диапазоне частот от 1 до 18 ГГц

(на основе конструкции круглого вол-

новода), ЭУ — 6;

• меры единиц относительных диэ-

лектрической и магнитной проницае-

мостей и тангенса угла диэлектриче-

ских и магнитной потерь;

• программное обеспечение для эта-

лонных установок.

Обобщенная структурная схема

эталона представлена на рис. 2.

Эталонная установка ЭУ-1 (рис. 3)

воспроизводит единицы относитель-

ной магнитной проницаемости от 1,5

до 100 и тангенса угла магнитных по-

терь от 1

–3

до 1 в диапазоне частот

от 1 до 200 МГц. Компаратор ЭУ-1 вы-

полнен по схеме двойного Т-образного

моста. Особенностями Т-схем является

возможность включения источника

Рис. 2. Структурная схема эталона

Page 4

«КАБЕЛЬ-news», декабрь-январь 2009/2010

Производство

ÝÒÀËÎÍ

тока и нулевого индикатора так, что

они имеют общую заземленную точку.

В этом случае емкости и проводимо-

сти утечек, существующие между со-

противлениями и экранами или между

экранами и землей, включены парал-

лельно и вход генератора не шунти-

рует отдельные участки схемы. Суще-

ственным обстоятельством является и

то, что один из полюсов измеряемого

сопротивления (проводимости) мож-

но подключить к заземленной точке.

Это дает возможность обеспечить вы-

сокую точность измерения на высоких

частотах. Т-схемы работают по принци-

пу резонансных схем, поэтому они ча-

стотно зависимы, что определяет до-

полнительные требования к частотной

стабильности генераторов. Отсчетны-

ми элементами являются переменные

конденсаторы, как по реактивной, так

и активной составляющей измеряемой

проводимости.

Для воспроизведения единиц от-

носительной магнитной проницаемо-

сти от 1,5 до 100 разработаны десять

мер, выполненных в виде расчетных

короткозамкнутых отрезков коакси-

альной линий различной длины.

В основу метода воспроизведения

единиц магнитной проницаемости по-

ложены волновые свойства воздушных

коаксиальных линий.

Входное сопротивление корот-

козамкнутого отрезка коаксиальной

линии

связано с магнитной прони-

цаемостью заполняющей среды

´ и

длиной

отрезка соотношением:

(1)

Искомое расчетное значение еди-

ницы относительной магнитной про-

ницаемости определяется по форму-

ле [3]:

(2)

Тангенс угла магнитных потерь вос-

производится компаратором, через

его постоянную

, которую опреде-

ляют при аттестации компаратора. На

клеммах компаратора определяют

полную проводимость

вх

= g

вх

+јb

вх

, g

вх

= КΔС

вх

= ωΔC

(3)

Эталонная установка ЭУ-2 (рис. 4)

воспроизводит единицы относитель-

ной диэлектрической проницаемости

от 1,5 до 20 в диапазоне частот от 1 до

200 МГц. Компаратор ЭУ-2 выполнен по

резонансной схеме. Воспроизведение

единицы относительной диэлектриче-

ской проницаемости

ε'

производится

расчетными мерами, выполненными в

виде разомкнутых отрезков коаксиаль-

ной линии с воздушным заполнением

различной длины. Метод воспроизве-

дения основан на волновых свойствах

коаксиальной линии.

Входное сопротивление разомкну-

того отрезка линии, заполненного воз-

духом, выражается как

Рис.3. Эталонная установка ЭУ-1

Рис.4. Эталонная установка ЭУ-2

Page 5

«КАБЕЛЬ-news», декабрь-январь 2009/2010

Производство

ÝÒÀËÎÍ

(4)

Воспроизводимое значение диэ-

лектрической проницаемости опреде-

ляется частотой и длиной коаксиаль-

ного отрезка

ко

(5)

Эталонная установка ЭУ–3 (рис. 5)

воспроизводит единицы относитель-

ных диэлектрической и магнитной

проницаемостей от 1,2 до 20, тангенса

угла диэлектрических от 1·10

-4

до 1·10

-2

и магнитных потерь от 1·10

-4

до 1·10

-1

в диапазоне частот от 0,6 до 4,0 ГГц.

В основу положен метод измерения

параметров материалов в коаксиаль-

ном резонаторе переменной длины,

при котором измеряемый образец

помещается в разрыв внутреннего и

внешнего проводников резонатора

в максимум магнитной или электри-

ческой составляющих электромаг-

нитного поля, так называемый метод

«короткого замыкания» и «холостого

хода». При этом измеряют изменения

резонансной длины и добротности

пустого резонатора — компаратора и

при внесении в него меры. На основа-

нии решения электродинамической

задачи получены измерительные урав-

нения, которые связывают воспроиз-

водимые параметры

΄,

tgδ

измеряемыми величинами — частотой

электромагнитных колебаний, доброт-

ностью резонатора, геометрическими

размерами резонатора и меры.

Эталонные меры представляют

собой отрезки коаксиальной линии,

заполненные воздухом, диэлектри-

ческим (стекло кварцевое, корунд) и

ферромагнитным (ферроэпоксид) ма-

териалами.

Значения

΄,

tgδ

΄,

tgδ

, воспро-

изводимые мерами, рассчитывают по

формулам [3]

(6)

(7)

tgδ

= ε˝

ε΄, tgδ

= μ˝

μ΄

(8)

Эталонная установка ЭУ-4 (рис. 6)

воспроизводит единицы относитель-

ной диэлектрической проницаемости

Рис.5. Эталонная установка ЭУ-3

Рис.6. Эталонная установка ЭУ-4

Page 6

«КАБЕЛЬ-news», декабрь-январь 2009/2010

Производство

ÝÒÀËÎÍ

от 1,2 до 30 и тангенса угла диэлек-

трических потерь от 1·10

-4

до 1·10

-1

в диапазоне частот от 0,2 до 2,0 ГГц.

Метод основан на использовании то-

роидального резонатора с частичным

заполнением измерительной ячей-

ки, в который введен дополнитель-

ный измерительный коаксиальный

конденсатор. Измерительная ячейка

представляет собой дисковый кон-

денсатор, образованный кольцевой

щелью во внутреннем электроде ре-

зонатора.

Весь частотный диапазон 0,2-2 ГГц

разбит на три поддиапазона: 0,2-0,5

ГГц, 0,4-1,5 ГГц, 1,0-2,0 ГГц, для каждого

из которых изготовлен резонатор.

При воспроизведении диэлектри-

ческой проницаемости и тангенса угла

диэлектрических потерь проводится

последовательно настройка резонато-

ра в резонанс с мерой и без нее, опре-

деляется смещение максимума и изме-

нение ширины резонансной кривой.

Меры единиц относительной диэ-

лектрической проницаемости и тан-

генса угла диэлектрических потерь вы-

полнены в виде плоскопараллельных

дисков из полиэтилена, пленки полии-

мидной и стеклотекстолита различных

диаметров.

Диэлектрическую проницаемость

определяют из решения трансцен-

дентного уравнения [3]

(9)

где

Эталонные установки ЭУ-5, ЭУ-6

(рис. 7) воспроизводят единицы от-

носительной диэлектрической про-

ницаемости от 1,2 до 400,0 и тангенса

угла диэлектрических потерь от 5·10

-5

до 1·10

-2

в диапазоне частот от 1 до

18 ГГц.

В основу эталонной установки

ЭУ-5 положен резонансный метод со-

гласно стандарту МЭК, при котором

используется электромагнитная систе-

ма, состоящая из запредельного ради-

ального волновода, в который по оси

помещается мера диэлектрической

проницаемости, и подвижных элемен-

тов возбуждения электромагнитных

колебаний Н

01n

типа.

Решение электродинамической

задачи позволяет получить расчет-

ные соотношения для электромаг-

нитной системы, которые связывают

параметры

΄ и

tgδ

с измеряемыми

величинами — частотой, добротно-

стью электромагнитных колебаний и

геометрическими размерами меры

относительной диэлектрической про-

ницаемости и тангенса угла диэлек-

трических потерь.

Диэлектрическую проницаемость

и тангенс угла диэлектрических по-

терь меры рассчитывают из решения

трансцендентного уравнения [4, 5, 6]

(10)

где

(11)

где

В основу эталонной установки ЭУ-6

положен резонансный метод, при ко-

тором используется электромагнитная

система, состоящая из отрезка кругло-

го запредельного волновода, внутрь

которого помещается мера диэлектри-

ческой проницаемости такого же диа-

Рис.7. Эталонные установки Эу-5, ЭУ-6

Page 7

«КАБЕЛЬ-news», декабрь-январь 2009/2010

Производство

ÝÒÀËÎÍ

метра. В этой системе возбуждаются

осесимметричные электромагнитные

колебания Н

типов. Использование

типов колебаний обусловлено

структурой компонент электромаг-

нитных полей, характеризующейся

отсутствием нормальных составляю-

щих электрического поля на границе

волновод-образец, что исключает не-

обходимость металлизации поверх-

ности меры, прилегающей к стенкам

волновода. Для перекрытия диапазона

частот от 1 до 18 ГГц рассчитано семь

отрезков волноводов различного диа-

метра и длины (рис. 8).

Диэлектрическую проницаемость

΄ и тангенс угла диэлектрических по-

терь

tgδ

мер рассчитывают из реше-

ния трансцендентного уравнения (12)

и уравнения (13)

(12)

где

(13)

где

Меры единиц относительной

диэлектрической проницаемости и

тангенса угла диэлектрических по-

терь выполнены в виде цилиндров

из керамики Д-10, В-40, В-120, BSM и

фторопласта-4 различных геометриче-

ских размеров.

Меры единиц относительных диэ-

лектрической, магнитной проницаемо-

стей и тангенса угла диэлектрических

и магнитных потерь Государственного

эталона представлены на рис. 9.

Одной из основных метрологиче-

ских характеристик эталона является

погрешность воспроизведения, выра-

женная в виде среднего квадратиче-

ского отклонения и неисключенной

систематической погрешности. Эта

погрешность определяется сумми-

рованием погрешностей результатов

прямых и косвенных измерений ха-

рактеристик, входящих в расчетные

соотношения диэлектрической, маг-

нитной проницаемости и тангенсов

угла диэлектрических и магнитных

потерь.

Оценка неисключенной система-

тической погрешности проводилась

на основании анализа источников

этой погрешности расчетным путем и

представлена в правилах хранения и

применения каждой эталонной уста-

новки.

Обобщенные среднеквадратиче-

ские отклонения, неисключенные си-

стематические погрешности и неопре-

деленности Государственного эталона

единиц относительных диэлектриче-

ской и магнитной проницаемостей

приведены в табл. 1.

Государственный первичный эта-

лон единиц относительных диэлектри-

ческой и магнитной проницаемостей в

Рис. 8. Отрезки волноводов

ЭУ-1

ЭУ-2

ЭУ-4

ЭУ-3

ЭУ-5, 6

Рис. 9. Меры единиц относительных диэлектрической и магнитной проницаемостей
и тангенса угла диэлектрических и магнитных потерь

Page 8

«КАБЕЛЬ-news», декабрь-январь 2009/2010

Производство

ÝÒÀËÎÍ

диапазон частот от 1 МГц до 18 ГГц вос-

производит следующие единицы:

• диэлектрической проницаемости



от 1,2 до 400,0

• магнитной проницаемости



от 1,5 до 100,0

• тангенса угла диэлектрических по-

терь

tgδ



от 5

-5

до 1

-2

• тангенса угла магнитных потерь

tgδ



от 1

-3

до 1

Государственный эталон единиц

относительных диэлектрической и

магнитной проницаемости возглав-

ляет государственную поверочную

схему, которая обеспечивает просле-

живаемость передачи единиц от Госу-

дарственного эталона средствам из-

мерений через эталоны и стандартные

образцы. Поверочная схема обеспече-

на комплексом стандартных образцов,

имеющих статус государственных и

межгосударственных.

Парк средств измерений комплекс-

ной диэлектрической и магнитной

проницаемости в настоящее время в

России оценочно составляет более ты-

сячи штук.

Их основное назначение и области

применения:

• в оборонном комплексе — эле-

ментная база электронных систем и

комплексов, защита и маскировка объ-

ектов;

• в науке и технологии — при раз-

работке новых материалов с уникаль-

ными электромагнитными свойствами

для промышленного применения, а

также изделий на их основе;

• в метрологии и приборострое-

нии — при создании эталонов и

средств измерений электромагнитных

величин;

• в системах связи и телекоммуни-

кациях — обеспечение качества и на-

дежности как самих устройств, так их

параметров.

Ввод в действие эталона и государ-

ственной поверочной схемы позво-

ляет повысить точность определения

электромагнитных параметров радио-

технических материалов. Главным по-

казателем эффективности внедрения

эталона является обеспечение задач

промышленной метрологии: расши-

рение парка поверяемых средств из-

мерений, повышение точности изме-

рений, снижение брака выпускаемой

продукции. Благодаря этому обеспе-

чена потребность промышленности и

оборонного комплекса.

Литература

1 IEC 61338-1-3. Waveguide type dielectric resonators. Pt.

1–3: General information and test conditions — Measurement

method of complex relative permittivity for dielectric resonator

materials at microwave frequency. — 1999.

2 «Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement»

published by the International Organisation for Standardisation

(ISO), Geneva, Switzerland, ISBN 92-67-10188-9, 1st edition

1993.

3 Матвейчук В.Ф., Сибирцев С.Н., Черноусова Н.Н., Карих

Н.М. Метрологическое обеспечение измерений электро-

магнитных свойств радиотехнических материалов на ВЧ и

СВЧ. Измерительная техника. 2004. №8. С.24—29.

4 Матвейчук В.Ф., Сибирцев С.Н., Карих Н.М., Серов А.В.

// Актуальные проблемы электронного приборостроения,

АПЭП–2004: Тр. VI Международной конференции — Ново-

сибирск. — 2004. — Т. 3. — С. 175—182.

5 Матвейчук В.Ф., Сибирцев С.Н., Карих Н.М. Измерения

электромагнитных свойств материалов с низкими потерями

на СВЧ методами диэлектрического резонатора. // Измери-

тельная техника. — 2004. — № 8. — С. 30—35.

6 МИ 00173-2000. ГСИ. Относительная диэлектрическая

проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь ма-

териалов с высокой проницаемостью в диапазоне частот

от 0.5 до 18 ГГц. Методика выполнения измерений методом

волноводно-диэлектрического резонатора.

Табл. 1. Метрологические характеристики эталона

Наименование характеристики

Значение

Среднее квадратическое отклонение

΄,

0,0002 — 0,002

tgδ

0,01 — 0,05

Неисключенная систематическая погрешность

΄,

0,0006 — 0,006

tgδ

0,03 — 0,1

Стандартная неопределенность, оцененная по типу А

΄,

0,0002 — 0,002

tgδ

0,01 — 0,05

Стандартная неопределенность, оцененная по типу B

΄,

0,0003 — 0,003

tgδ

0,01 — 0,04

Суммарная стандартная неопределенность

΄,

0,0004 — 0,004

tgδ

0,02 — 0,06

Расширенная неопределенность

΄,

0,001 — 0,01

tgδ

0,05 — 0,15

Оригинал статьи: Государственный первичный эталон единиц относительных диэлектрической и магнитной проницаемостей в диапазоне частот от 1 МГц до 18 ГГц

Читать онлайн

В октябре 2009 года приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии утвержден новый Государственный первичный эталон единиц относительных диэлектрической и магнитной проницаемостей в диапазоне частот от 1 МГц до 18 ГГц. Развитие электронного приборостроения и микроэлектроники, радиолокации и средств связи, телевидения и информационно-телекомуникационных систем в существенной степени зависит от метрологического обеспечения технологий производства новых перспективных материалов для ВЧ и СВЧ диапазонов.