Метод волноводно-диэлектрического резонатора

Page 1

Page 2

«КАБЕЛЬ-news», апрель 2010

Производство

ÄÈÝËÜÊÎÌÅÒÐÈß

Метод волноводно-
диэлектрического резонатора

Матвейчук В.Ф.,

к.т.н., директор

ФГУП «СНИИМ»;

Сибирцев С.Н.,

начальник

отдела ФГУП «СНИИМ»

Костромин В.В.,

к.т.н., главный

специалист ОГМетр ФГУП «ОКБ КП» ,

Романов Б.С.,

к.ф-м.н., начальник

лаборатории ФГУП «ОКБ КП»

Развитие радиотехнических систем требует перехода всех комплектую-

щих изделий, в том числе радиочастотных кабелей, к более высоким частотам,
вплоть до 40 ГГц.

По заданию ФГУП «ОКБ КП» в 2002 году ФГУП «СНИИМ» (г. Новосибирск)

была разработана измерительная ячейка РВД-КП (резонатор волноводно-
диэлектрический для кабельной промышленности).

Ячейка является первичным

изме-

рительным

преобразователем при

измерениях

относительной диэлек-

трической проницаемости (

) и тан-

генса угла диэлектрических потерь

(tg

) материалов в диапазоне СВЧ от

1 до18 ГГц [1].

Принцип действия ячейки РВД-КП

основан на возбуждении в системе,

образованной испытуемым образцом,

помещенным в отрезок запредельно-

го волновода электромагнитных ко-

лебаний типа

. Измеряется резо-

нансная частота и нагруженная до-

бротность такой системы, затем рас-

считываются значения

и tg

испы-

туемого образца путем решения на

ЭВМ комплексного трансцендентного

уравнения для собственных электро-

магнитных колебаний системы «вол-

новод — испытуемый образец», по-

лученного на основе строгого реше-

ния электродинамической задачи для

данной модели.

Тип колебаний

— магнитный,

осесимметричный тип электромаг-

нитных колебаний круглого волново-

да, в котором отсутствуют компонен-

ты электрического поля, нормальные

к стенкам волновода. Это обстоятель-

ство позволяет исключить необходи-

мость нанесения металлических элек-

тродов на испытуемый образец, что

значительно упрощает процесс подго-

товки образца к измерениям.

Резонансная частота колебаний си-

стемы зависит от размеров образца

и его диэлектрической проницаемо-

сти. Чем меньше радиус образца, тем

выше его резонансная частота при

одной и той же проницаемости. Таким

образом, чтобы перекрыть рабочий

диапазон частот от 1 до 18 ГГц, необ-

ходимо иметь набор волноводов ди-

аметром от 90 до 20 мм при диапазо-

не измеряемых значений относитель-

ной диэлектрической проницаемости

от 2 до 35. Толщина образца в общем

случае может быть произвольной, но

предпочтительнее выбирать высо-

ту образца равную радиусу волново-

да для минимизации погрешности из-

мерений.

Общий вид измерительной ячейки

типа РВД-КП приведен на рис. 1.

Механизм перемещения элементов

возбуждения и приема электромаг-

нитных колебаний выполнен на осно-

ве двух винтовых пар с противополож-

ной многозаходной нарезкой. К под-

вижным гайкам механизма прикре-

плены стойки с кронштейнами, пред-

назначенные для размещения на них

отдельных элементов электрической

схемы, а также для крепления элемен-

тов возбуждения и приема электро-

магнитных колебаний. Перемещение

элементов возбуждения и приема осу-

ществляется вращением ручек, кото-

Технические характеристики и описание

измерительной ячейки РВД-КП

1. Диапазон частот, ГГц

1 -18

2. Диапазон измеряемых значе-
ний:

- относительной диэлектрической
проницаемости ε

2 ÷ 35

- тангенса угла диэлектрических
потерь tgδ

5·10-5

÷1·10-2

3.. Пределы допускаемой относи-
тельной погрешности измерений:

- относительной диэлектрической
проницаемости δε, %, не более

± 0,5 ÷ 1

- тангенса угла диэлектрических
потерь δtgδ, %, не более

± (10 +

+ 0,003/ tgδ)

4. Форма образцов испытуемого
материала

круговой ци-

линдр или

диск

5. Диаметр образцов, мм

20, 30, 40, 50,

70 и 90

6. Высота образцов, мм

10 ÷ 50

7. Габаритные размеры ячейки
РВД-КП, мм

100х160х450

8. Масса ячейки РВД-КП, кг, не бо-
лее

В комплект измерительной ячейки РВД-КП

входят возбуждающий элемент; приемный эле-
мент и отрезки круглых волноводов диаметром
20; 30; 40; 50; 70 и 90 мм.

Page 3

«КАБЕЛЬ-news», апрель 2010

Производство

ÄÈÝËÜÊÎÌÅÒÐÈß

рые, для удобства управления, распо-

ложены с двух сторон корпуса измери-

тельной ячейки.

Возбуждение колебаний типа

измерительной ячейке с образцом и

связь ячейки с измерительными при-

борами обеспечивается двумя под-

вижными элементами возбуждения и

приема электромагнитных колебаний

специальной конструкции (рис. 2).

Элементы возбуждения и приема

электромагнитных колебаний пред-

ставляют собой СВЧ устройство, пре-

образующее электромагнитные коле-

бания основного типа коаксиальной

линии (волны типа Т) в электромагнит-

ные колебания

типа круглого вол-

новода в широком спектре частот. Эле-

менты возбуждения электромагнит-

ных колебаний являются обратимы-

ми устройствами и могут работать на

излучение,и на прием электромагнит-

ных колебаний. Эти элементы унифи-

цированы.

Подвижные элементы возбужде-

ния и приема электромагнитных ко-

лебаний расположены по оси волно-

вода и имеют возможность синхрон-

ного, симметричного, возвратно-

поступательного перемещения вдоль

оси волновода.

Элемент возбуждения и приема

(рис. 2) состоит из следующих основ-

ных деталей:

- СВЧ разъем (

);

- отрезок коаксиальной линии (

);

- излучатель (

);

- поглощающий элемент (

На рис.

приведена обобщенная

электрическая схема установки, а на

рис. 4 — ее внешний вид на базе пано-

рамного измерителя Р2М-18.

Наиболее удачным решением в на-

шем варианте было использование из-

мерителя панорамного Р2М-18.

В общем случае в интервале частот

от 0,5 до 18 ГГц можно использовать

различные средства измерений.

В настоящее время с успехом ис-

пользуются современные скалярные

анализаторы СВЧ цепей типа Р2М-

04, Р2М-18, Р2М-40 с компьютерным

управлением и генераторами СВЧ на

основе высокостабильных синтезато-

ров частоты.

Проведение измерений

Образец для измерений должен

быть выполнен в виде прямого круго-

вого цилиндра в соответствии с рис. 5.

пад

отр

VDR

Рис.1. Общий вид измерительной ячейки типа РВД-КП

Рис. 2. Элемент возбуждения и приема колебаний

Рис.3. Схема измерительной установки: 1 — набор генераторов СВЧ; 2 — частото-
мер; 3 — селективный усилитель (вольтметр); 4 — СВЧ переключатель (тройник); 5 —
вентиль (аттенюатор); 6 — направленный ответвитель; 7 — измерительная ячейка
(резонатор волноводно-диэлектрический РВД КП); 8 — детектор; 9 — СВЧ разветви-
тель (тройник); 10 — измеритель КСВН панорамный

Page 4

«КАБЕЛЬ-news», апрель 2010

Производство

Диаметр образца должен соответ-

ствовать диаметру волновода. Зазор

между образцом и стенкой волновода

не должен превышать 0,01 мм.

Шероховатость поверхности образ-

ца должна быть не хуже 0,25 мкм.

Нецилиндричность образца должна

быть не более 0,01 мм.

Непараллельность и неплоскост-

ность поверхностей А и Б — не более

0,01 мм.

Диаметр образца измеряют в шести

плоскостях через 30°, после чего берут

среднее арифметическое результатов

измерений. Погрешность измерений

не должна превышать ± 0,005 мм.

Высоту образца измеряют в 5 ÷ 10

точках, указанных на рис. 6. При расче-

те диэлектрических параметров, берут

среднее арифметическое значение

всех измерений высоты. Образец раз-

мещают в середине круглого отрезка

волновода и проводят измерения.

Порядок проведения измерений из-

ложен в [1]. Сначала, задавшись пред-

полагаемым значением относитель-

ной диэлектрической проницаемости

образца, рассчитывают предваритель-

ные значения резонансных частот в

исследуемом диапазоне.

Затем по электронно-счетному ча-

стотомеру измеряют значение ре-

зонансной частоты

, соответствую-

щее максимуму резонансной кривой

(рис. 7), и значения частот

, соот-

ветствующих уровню 3 дБ относитель-

но максимального значения резонанс-

ной кривой.

Ширину резонансной кривой Δ

вы-

числяют по формуле:

f = f

+ f

. (1)

Параметры материала испытуемо-

го образца рассчитывают из решения

дисперсионного уравнения (2).

(

nε

) = (

nε

—

) ·

–iγ

nε

, (2)

где:

—

комплексные продольные волновые

числа в области волновода с образцом и

без образца;

= 2·

π·f

— круговая частота;

— комплексная круговая

частота;

— нагруженная добротность;

— комплексная диэлектрическая про-

ницаемость испытуемого образца;

— абсолютные диэлектрическая и

магнитная проницаемости вакуума;

— высота образца;

— комплексные поперечные волно-

вые числа круглого волновода, опреде-

ляемые последовательными корнями

уравнения:

Рис.4. Внешний вид установки на базе

измерителя панорамного Р2М-18

Затухание

дб

Частота ГГц

3 дб

∞

45°

1/2 r

Рис. 5.

Рис. 7

Рис. 6

ÄÈÝËÜÊÎÌÅÒÐÈß

Page 5

«КАБЕЛЬ-news», апрель 2010

Производство

(3)

где:

— номер корня уравнения в по-

рядке возрастания

(вариация по ра-

диусу);

— радиус отрезка волновода;

— проводимость стенок волновода.

Вид реальной резонансной кривой

при измерении конкретного образца

с использованием современного па-

норамного измерителя Р2М-18 приве-

ден на рис. 8.

В этом случае резонансная частота

и ширина резонансной кривой непо-

средственно определяется с монито-

ра компьютера.

Решение уравнения производится

по программе NVDR1, приведенной в

[1]. Программа NVDR1 составлена в со-

ответствии с [3, 4]. Обработку результа-

тов измерений проводят на ПЭВМ. На

выходе программа выдает значения

и tg

Контроль точности результа-

тов измерений, а именно, правиль-

ность выполнения операций изме-

рений и правильность обработки ре-

зультатов измерений, производят пу-

тем контрольных измерений госу-

дарственных стандартных образцов

(ГСО) единицы комплексной диэлек-

трической проницаемости диапазона

СВЧ [2].

Таким образом, чтобы рассчитать

комплексную диэлектрическую про-

ницаемость испытуемого цилиндриче-

ского образца, необходимо иметь сле-

дующие исходные данные:

Измеряемые параметры (пря-
мые измерения):

- радиус образца (

) и его вы-

сота (

), определенные в соответ-

ствии с МИ 000173-2000 с точностью

± 0,005 мм;

- резонансная частота (

)

— ко-

лебания РВД КП и частоты на половин-

ном уровне мощности резонансной

кривой (

) — измеряются частото-

мером с точностью ± 100 кГц;

Константы:

- Константы

— абсолютная ди-

электрическая и абсолютная магнит-

ная проницаемости вакуума (фунда-

ментальные константы) равны соответ-

ственно в системе СИ:

= 8,854187818 · 10

–12

Ф/м

= 4π · 10

–7

Гн/м.

- Аттестованное значение прово-

димости стенок волновода «σ» с по-

грешностью не более 10 % (для латуни

ЛС-59 проводимость может нахо-

диться в пределах от 1,3 · 10

См/м

до 1,58 · 10

См/м, в зависимости

от партии) дается в описании на

резонатор.

Литература

1. МИ 00173-2000. ГСИ. Относительная

диэлектрическая проницаемость и тан-

генс угла диэлектрических потерь ма-

териалов с высокой проницаемостью в

диапазоне частот от 0,5 до 18 ГГц. Мето-

дика выполнения измерений методом

волноводно-диэлектрического резона-

тора.

2. ГОСТ 8.315-97 ГСИ. Стандартные об-

разцы состава и свойств веществ и мате-

риалов. Основные положения.

3. ГОСТ 8.207-76. ГСИ. Прямые изме-

рения с многократными наблюдениями.

Методы обработки результатов наблю-

дений.

4. МИ 2174-91. ГСИ. Рекомендация. Ат-

тестация алгоритмов и программ обра-

ботки данных при измерениях. Основные

положения.

Рис.8. Вид резонансной кривой при измерении с использованием панорамного из-
мерителя Р2М-18

ÄÈÝËÜÊÎÌÅÒÐÈß

Оригинал статьи: Метод волноводно-диэлектрического резонатора

Читать онлайн

Развитие радиотехнических систем требует перехода всех комплектующих изделий, в том числе радиочастотных кабелей, к более высоким частотам, вплоть до 40 ГГц. По заданию ФГУП «ОКБ КП» в 2002 году ФГУП «СНИИМ» (г. Новосибирск) была разработана измерительная ячейка РВД-КП (резонатор волноводно-диэлектрический для кабельной промышленности).