Скресанов В Н, Шубний А І Інститут радіофізики та електроніки ім А Я Усикова НАН України вул Ак Проскури, 12, м Харків, 61085, Україна тел: (057) 720-34-55, e-mail: valery@irekharkovua

Анотація – Запропоновано метод вимірювання малих варіацій діелектричної або магнітної проникності речовин, заснований на спектральному аналізі сигналу квазіоптичного генератора, в високодобротного відкриту резонансну систему якого міститься зразок Дано опис і приведені характеристики перетворювача змін показника заломлення речовини в частоту Оцінена чутливість вимірювальної системи

I                                       Введення

При дослідженні електрофізичних параметрів речовин застосовуються так звані активні вимірювальні системи, тобто системи у яких кювету із зразком обєднана з системою резонатора генератора [1,2,3] Зміна електричної довжини кювети, обумовлене зміною діелектричної або магнітної проникності зразка, викликає зсув частоти генерації Ця залежність лежить в основі відомих методів вимірювання проницаемостей речовин

Ми пропонуємо вимірювати малі варіації діелектричної або магнітної проникності речовини, вимірюючи індекс частотної модуляції Зміна частоти генерації може бути викликане як навмисним періодичним зовнішнім впливом на речовину деякого фізичного чинника, так і випадковими процесами У простому випадку вимір індексу регулярній або випадкової модуляції частоти здійснюється за допомогою стандартних аналізаторів спектру Рекордні результати досягаються при використанні вимірників флуктуацій частоти

У даній роботі наведені результати розробки і дослідження спектральних характеристик запропонованого нами термокомпенсірованний квазіоптичного генератора (КОГ) на діод Ганна з низьким рівнем фазових шумів, що виконує функції квазіоптичного перетворювача змін діелектричної або магнітної проникності речовин в зміна частоти генерації На основі вимірювання рівня фазових флуктуацій перетворювача дається оцінка чутливості вимірювальної установки

II                               Основна частина

Основу конструкції активного квазіоптичного перетворювача, становить спеціально розроблений термокомпенсірованний КОГ на діод Ганна з низьким рівнем фазових шумів (Рис 1) Відкритий резонатор (ОР) утворений двома сферичними дзеркалами 1 і 2 У центрі дзеркала 1 виконано коротко-замкнутий отвір прямокутного поперечного перерізу Діод Ганна розташований в отворі і на нього подано напругу зміщення за допомогою штиря 3 Висновок енергії з ОР в навантаження здійснюється через щілину в центрі дзеркала 2 Термокомпенсація генератора здійснюється підбором довжин ін-Варов стрижнів 4 і латунних вставок 5 згідно з умовою: l i + l 2 = L (σα-ТКЧдг) / (а – ац), де σ ν \ σ – температурні коефіцієнти лінійного розширення інвару і латуні, відповідно, а ТКЧдг-вкпад в температурних коефіцієнт частоти генератора (ТКЧког) температурного коефіцієнта частоти діода Ганна З проведених вимірювань і оцінок технологічних погрішностей випливає, що ТКЧког в відсутність впливу атмосфери не перевищує величину порядку 10 ^ 1 / ° С

Для вивчення електрофізичних властивостей сипучих речовин розроблена кювета, дві Радіопром-прозорі стінки якої являють собою плоськопараллельниє пластини з щільного пінопласту 6 Простір між пластинами заповнюється досліджуваним речовиною 7

Рис 1 Активний квазіоптичний перетворювач

Fig 1 Active quasi-optical converter

Розглянутий КОГ має прототип [4] У його назві підкреслять тип узгоджувальний ланцюга – четвертьволновая радіальна лінія в пучності електричного поля ОР {ho = ^ 2 і Ьд = ХД / 4) На відміну від прототипу, в представленому тут КОГ узгодження здійснюється «товстим» штирем 3 (діаметр близько 0,2 λο_ а ho = 31/4 і Лд = 1/2) Ця відмінність зумовило суттєво нижчий рівень втрат на розсіювання енергії в ОР і, як наслідок, низький рівень фазових шумів Результати вимірювань представлені в таблиці у вигляді середньоквадратичної девіації частоти Afrms, приведеної до смузі 1 Гц, при розладі F від несучої По-суті, виміряні значення Afrms є шумовим порогом вимірювань варіацій частоти

Табл 1

Table 1

F, кГц

1

5

10

50

100

^ Rms ГЦ / ^ ГЦ

0,063

0,032

0,028

0,016

0,014

Оцінимо чутливість пропонованого методу вимірювання, вважаючи, що використовується ідеальний аналізатор спектру, а шуми системи обумовлені шумами активного перетворювача і рівні твору середньоквадратичної шумовий девіації частоти КОГ на ширину В смуги аналізу Тоді відношення сигнал / шум можна записати у вигляді:

Переймаючись ставленнямі користуючись рас

парними значеннями коефіцієнтів перетворення К ^, К ^, оцінимо граничні значення варіацій діелектричної та магнітної проникності, які можна виміряти Приймемо S / N = 10, на частоті аналізу λΟκΓυ,а смуга

аналізу У нехай буде дорівнює 100 Γι < . Коефіцієнт перетворення зміни діелектричної постійної в зміну резонансної частоти повністю заповненого ЗР на частоті 30 ГГц дорівнює:

Звідки випливає – Λε = 6-10′ \ Чутливість до зміни магнітної проникності «Радіопром-зрачних» діелектрика (нехай, наприклад, / ^ = 1, £ = 1,5) для шару товщиною порядку довжини хвилі можна розрахувати за методикою [5] Отримаємо = 2-10 ® Гц і ф = 4-10 ®

III                                   Висновок

Запропоновано спосіб вимірювання малих варіацій діелектричної або магнітної проникності речовин, заснований на спектральному аналізі сигналу КОГ, у відкритий резонатор якого вноситься досліджувана речовина

Розроблено малошумящий термокомпенсірованний квазіоптичний перетворювач варіацій діелектричної або магнітної проникності речовин в частоту Виміряні ТКЧ і фазові флуктуації перетворювача

Дана оцінка чутливості методу, заснована на досягнутих характеристиках КОГ Зокрема, для речовин з малими втратами можна вимірювати наступні значення зміни діелектричних і магнітних постійних:

~ 5-10 ·”’ при повному заповненні (наприклад, газом) обсягу ОР

~ 5 Ю ® при заповненні ЗР шаром речовини товщиною порядку довжини хвилі

IV                            Список літератури

[1] аймер Р К, Беечелор Д Б, Моді Д К, Лашінскі Г Вимірювання на СВЧ за допомогою активних систем / / Тии-ЕР – 1974, № 1,0144-155

[2] Менде Ф Ф, Бондаренко І Н, Трубицин А В надпровідні і охолоджувані резонансні системи – Київ Наукова думка 1976 – 272 с

[3] Антипенко Р В, Мачусскій Е А, Першин Н А Активний квазіоптичний вимірювач фізичних властивостей матеріалів Радіоелектроніка2004 № 8, с79-80

[4] Булгаков Б М, Скресанов В Н, Фісун А І Шубний А І квазіоптичного напівпровідниковий генератор з ради-ально-хвилеводним збудженням Прилади й техніка експерименту, № 1, 1987 – С114-116

[5] Андросов В П, Велієв Е І, Вертій А А Поляризаційні та спектральні характеристики відкритих резонаторів з внутрішніми неоднорідностями Изв вузів – Радіофізика 1982, т 25, № 3, с 318 – 328

AUTOGENERATOR SPECTRAL METHOD FOR TESTING OF ELECTROPHYSICAL PROPERTIES OF MATERIALS IN MILLIMETER-WAVE BAND

Skresanov V N, Shubnyj A I

Usikov institute of Radio Physics and Eiectronics of Nationai Academy of Sciences of Ukraine

12,     Akademika Proskury Str, Kharkiv, 61085, Ukraine

Abstract – The method of measurement of small variations of dielectric or magnetic permeability of substances based on the spectral analysis of a signal of quasi-optical generator (QOG) is offered The description is given and the characteristics of the converter of a parameter of refraction of substance changes to frequency changes are given The sensitivity of measuring system is estimated

I                                         Introduction

The active measuring system is a system, in which substance is incorporated with the generator The electrical length change ofthe cavity caused by the dielectric or magnetic permittivity of substance variation causes the shift of oscillation frequency In the given work we present the results of researches of the spectral characteristics of the quasi-optical generator offered by us

The possibilities of other method of measurement of a parameter of refraction variations are also investigated for the case if they are caused by external influence to substance

II                                        Main Part

Basis of the active quasi-optical converter is the thermo compensated quasi-optical generator with a low level of phase noise (Fig 1) Two spherical mirrors 1 and 2 form the open resonator (OR) At the center of a mirror 1 the rectangular hole is made The Gunn-diode is located in the hole and DC power to it through the post 3 is sent The outcome of energy from OR carries out through the slot at the center of a mirror 2 Thermocompensation of the generator is carried out by selection of lengths of invar rods 4 and brass inserts 5 according to a condition: I„i+I„2=L (σ„ -TFFbd)/(^„ – ctJ, where σ„ and σ„ – temperature factors of linear expansion invar and brass, accordingly, and TFFgd – contribution of temperature factor of frequency of the Gunn-diode to temperature factor of frequency of the generator (TFFqog) It follows, that TFFqog does not exceed value about 10M/°C

The cavity that consists of two radio transparent plates 6 is developed The researched substance 7 fills the space between the plates

As against the prototype [4] represented QOG has much lower level of losses on dispersion of energy in OR and low level of phase noise The results of measurements are submitted in the table The measured values Af^ms are noise threshold of measurements of variations of frequency

F, kHz

1

5

10

50

100

^rms Hz/JHz

0,063

0,032

0,028

0,016

0,014

It is possible to calculate sensitivity to changes of dielectric or magnetic permittivity of substance using the equation:

III                                       Conclusion

The refractometer for measurement of small variations of a parameter of refraction is offered The thermo compensated quasi-optical Gunn oscillator with a low noise level as a basis of refractometer is developed

The rating of sensitivity of a method of measurement at the ratio signal/noise 10 dB is given: ~5-10&quotat complete filling of volume of the OR, ~ 5-10 ®at filling the OR by a layer of substance by thickness about wavelength

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р