Білоус Р. І., Макєєв Ю. Г., Моторненко А. П.

Інститут радіофізики та електроніки ім. А. Я. Усикова НАН України вул. Ак. Проскури, 12, Харків 61085, Україна Тел: (0572) 448378; e-mail: raisa (o) _ire.kharkov. ua

Анотація Розглянуто методику вимірювання параметрів діелектричних матеріалів, заснована на резонансних характеристиках структури, що складається з циліндричного позамежного хвилеводу, частково заповненого діелектричним елементом. На основі отриманих виразів для діелектричної проникності і тангенса кута втрат, пов’язаних з резонансними характеристиками резонатора, як приклад, визначено значення £, і tgd діелектричного елемента з тефлону.

I. Вступ

Створення нових матеріалів, які є основою при розробці обчислювальної техніки та радіоелектронної апаратури, зумовлює необхідність дослідження їхніх властивостей. Актуальним є розвиток радіофізичних методів вимірювання параметрів різних матеріалів у НВЧ діапазоні. В цій роботі, що продовжує дослідження [1, 2], запропонована методика вимірювання комплексної діелектричної проникності (s, tgS)

діелектричного елемента (ДЕ) у резонансних характеристикам хвилеводно-діелектричної резонатора (ВДР). Завдання визначення параметрів матеріалів зводиться до вирішення рівнянь електродинаміки для даного резонатора, вимірюванню його резонансної частоти (/г) І власної добротності (£? О)> а п0 виміряним величинам fr і Q0 визначаються параметри матеріалів.

II. Основна частина

Модель ВДР (рис. 1) являє собою відрізок циліндричного хвилеводу, позамежного для резонансної частоти, радіусом а, всередині якого

розташований ДЕ довжиною /, заповнює поперечний переріз хвилеводу. З одного боку на відстані L від ДЕ може бути розміщений коротко замикає (КЗ) поршень. З іншого боку від ДЕ хвилевід передбачається нескінченним.

Рис. 2. Залежності резонансної частоти, власної та часткових добротності від параметра

На

Fig. 2. Dependences of resonance frequency, eigen and partial Q-factors from parameter 11 а

Криві рис. 2 відповідають параметрам тефлону зі провідності латуні з

ст = 1.5 -107 См / м [5]. Для експериментальних досліджень був виготовлений резонатор в сантиметровому діапазоні, з внутрішнім діаметром хвилеводу 13 мм. Виміри проводилися з ДЕ, мають довжину від 1 до 30 мм. Хрестиками на малюнку відзначені експериментально отримані значення резонансних частот. Величина діелектричної проникності тефлону, визначена за виміряним резонансним частотам ВДР, склала £ = 2.08 + 0.02. Виміряна власна добротність резонатора при 1 / а = 0.6 на резонансної частоті /;. = 11.8 ГГц була рівною

Q0 = 2930 (на рис. 2 відзначена гуртком), що відповідає тангенсу кута втрат тефлону / g <5 = 3-10 ~4, Обчисленому за виразами роботи [3].

Як видно з рис. 2, власна добротність ВДР в області / / я = 0.6-1.25 обумовлена ​​в основному втратами в діелектрику. В цьому випадку можна скористатися наближеною оцінкою величини тангенса кута втрат за висловом tgS = (О0У1, Що справедливо в припущенні концентрації енергії резонансного коливання в ДЕ. З кривих добротності можна зробити висновок, що при збільшенні довжини ДЕ похибка визначення тангенса кута діелектричних втрат буде зростати у зв’язку з тим, що на власну добротність більший вплив робить часткова добротність, пов’язана з втратами в металі. Виміряна величина власної добротності при 11 а = 2.3 Про0 = 2000, що помітно відрізняється

від розрахункових даних. Така відмінність може бути пов’язано з технологією виготовлення латуні і наявністю окисной плівки. В області 1 / а = 1.7-4.5, де добротність ВДР визначається в основному втратами в металевих стінках, можна оцінити провідність металу, з якого виготовлений резонатор. Розрахунки показують, що величина провідності латуні, за виміряним величинам (20 = 2000 і

/g<5 = 3-10~4 складає сг = 1.2-107 См / м.

III.Заключеніе

Таким чином, методом ВДР можна вимірювати діелектричну проникність, тангенс кута втрат діелектричних матеріалів, а в разі діелектричного елемента з відомими параметрами

– Визначати провідність матеріалу металевої частини резонатора.

I. Список літератури

[1]  Belous R. /., Makeev Yu. G., Motornenko A. P. Parameters determination of dielectric materials at the resonances of hybrid microwave oscillations in the waveguide dielectric resonator.Proc. of the 2nd International .Conference, on Atenna Theory and Techniques. Kyiv, 20-22 May 1997, pp. 323-325.

[2]  Makeev Yu. G.. Motornenko A. P. Parameters measurement of anisotropy dielectric. Proc.4th international Kharkov Symposium Physics and Engineering of millimeter and Submillimeter waves. Kharkov, 4-9 June 2001, pp. 838-839.

[3] Білоус P. І.. Макєєв Ю. Г.. Моторненко А. П. Вюнік Сумського державного уиверсітету, 1997, № 1 (7), с. 65-69.

[4] Білоус Р. І.. Макєєв Ю. Г.. Моторненко А. П. Радіофізика і електроніка: Сб.науч.тр. / НАН України. Ін-т радіофізики та електроніки ім. А. Я.Усікова, 2000, т. 5,

№ 1, с.36-42.

[5] Таблиці фізичних величин. Довідник. Під ред. акад. І. К. Кикоїна. М.: Атомиздат, 1976. 1008 с.

MEASUREMENT OF PARAMETERS OF DIELECTRIC MATERIALS ON CHARACTERISTICS OF WAVEGUIDE DIELECTRIC RESONATOR

Belous R. I., Makeev Yu. G., Motornenko A. P.

Usikov Institute for Radiophysics and Electronics, National Academy of Sciences of Ukraine 12 Ac. Proskura St., Kharkov 61085, Ukraine Phone: (0572)448378, e-mail: raisa(3>ire.kharkov.ua

Abstract A method of parameters measurement of dielectric materials based on resonance characteristics of a structure which consists of a cylindrical evanescent waveguide partially filled with dielectric element has been considered. Using the expressions associated with the resonance characteristics of the resonator the permittivity and the loss tangent of a dielectric for the dielectric element made of Teflon have been obtained.

I.  Introduction

The creation of new materials which are the stage for the elaboration of the computer designs and the radioelectronics equipment requires the investigation of their properties. The development of the radiophysics methods of parameters measurement of different materials on microwave is topical. In this paper which continues investigation [1,2], the method of the measurement of the complex permittivity (e , tgS ) of the dielectric element (DE) on the resonance characteristics of the waveguide dielectric resonator (WDR) has been proposed. The problem for the parameters determination of the materials is reduced to the solution of the electrodynamic equations for the given resonator and to the measuring resonance frequency (f.) and eigen Q-factor (O0). The parameters of the materials

are defined with the measured values fr and O0 .

II.  Main part

WDR model is a segment of the cylindrical waveguide beyond-cutoff for the resonance frequency. The DE with length / is mounted inside of the waveguide with radius Cl. On the one part from DE a short-circuited plunger may be placed at the distance L . On the other part of DE the waveguide is intended to be infinite. The solution of the problem for the eigen oscillation spectrum and Q-factor of that resonator is presented in [3, 4]. A possibility of the parameters determination of dielectrics will be illustrated by example of Teflon, e and tgS of DE are defined by the known values of the wall conductance of the resonator and by the measured values fr and O0 .

The variations of the fr and Про for the parameter Ha are calculated for the Hln -mode on condition that plunger is in infinity (Fig.2). The curves for the £ = 2.1; tgS = 2-\QT4\

<r = 1.5-107 cm/m were obtained. For the experimental investigation the brassy resonator with diameter 13 mm had been made. The measurements of the f and O0 for DE with I = 1 і30 mm were carried out. The experimental values ​​of fr and O0 are shown by crosses and dots. The permittivity that is defined by the measured fT is £ = 2.08 + 0.02. tgS is 3-10^ for the O0 = 2930 . The calculations for the expressions from [3] had been carried out.

III.  Conclusion

Thus £ and tgS of the dielectric materials may be measured by means of WDR method and in case when DE parameters are known and the wall material conductance of the metal part of the resonator may be defined.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.