Бровенко А В, Мірошниченко В С, Мележик П Н, Сенкевич О Б Інститут радіофізики та електроніки ім А Я Усикова НАН України вул Академіка Проскури, д 12, м Харків, 61085, Україна тел: 38 (057) 7203393, e-mail: mirosh@irekharkovua

Анотація – Запропоновано варіант відкритої резонансної комірки, що дозволяє провести абсолютні вимірювання діелектричної та магнітної проникності для циліндричних зразків і тонких плівок, нанесених на циліндричну поверхню Представлені результати електромагнітного моделювання та тестових експериментальних вимірювань в 8-мм і 4-мм діапазонах матеріальних констант для зразків з відомими властивостями

I                                       Введення

в міліметровому діапазоні довжин хвиль в якості резонансних осередків діелектрометрії традиційно використовуються тільки кілька ТИПІВ відкритих резонаторів, дозволяє провести абсолютні вимірювання параметрів матеріалів Крім того, існують обмеження і на форму досліджуваного зразка Так, в напівсферичним ЗР зразок повинен бути виконаний у вигляді плоскопараллельной пластини з досить великими поперечними розмірами [1], а в діелектрометере на модах шепоче галереї циліндричний зразок виступає в якості відкритої резонансної комірки, попередньо розрахованої на частоту вимірювань [2] Для інших типів відкритих резонансних осередків як правило не вдається провести строгий аналіз методами електромагнітного моделювання та необхідна попередня калібрування діелектрометрії

У даній роботі запропонована відкрита резонансна осередок, що дозволяє провести точний електродинамічний аналіз спектра порушуваних коливань І забезпечити абсолютні вимірювання діелектричної І магнітної проникності для циліндричних зразків І ТОНКИХ плівок, нанесених на циліндричну поверхню

II                               Основна частина

Відкрита резонансна осередок (Рис1) являє собою аналог двовимірного ЗР з циліндричними дзеркалами, що відрізняється наявністю скосів на краях дзеркал, які утворюють позамежні ділянки ДЛЯ хвиль, що поширюються уздовж осі ОУ Досліджуваний зразок у вигляді циліндра з діаметром 2а поміщається в центральній пучності електричного поля TEMooq-типу коливань з непарним поздовжнім індексом (q = 2m +1) для вимірювання діелектричної проникності, або в центральній пучності магнітного поля TEMooq-типу коливань з парних поздовжнім індексом (q = 2m) для вимірювання магнітної проникності зразка Вузол збудження ЗР у вигляді щілини знаходиться в центрі одного з циліндричних дзеркал і забезпечує збудження

тільки Н-поляризованих коливань {Н | | OY)

Резонансна осередок також дозволяє провести абсолютні вимірювання матеріальних констант для ТОНКИХ плівок, нанесених на поверхню проводить АБО діелектричного циліндра з відомими матеріальними параметрами Крім того, дана резонансна осередок може бути використана для безперервного контролю діаметра оптоволокна, нейлонової НИТКИ І ін

Рис 1 Відкрита резонансна осередок

Fig 1 Open resonance cell

Суворе рішення спектральної задачі для двовимірного ЗР з циліндричними вставками приведено в роботі [3], а особливості спектра порушуваних коливань проаналізовані в роботі [4] В експериментальному аналогу двовимірного ОР (Рис1) виникають додаткові типи коливань, що відрізняються ЧИСЛОМ варіацій поля уздовж осі ОУ – TEMonq, При цьому ЗСУВ резонансної частоти для ЦИХ коливань, викликаний досліджуваним зразком, відповідає зрушенню частоти в двовимірної моделі резонансної комірки

Рис 2 Зрушення резонансної частоти осередки

Fig 2 Cell resonance frequency shift

Вибір параметрів резонансної комірки і типу збуджуваного коливання дозволяє провести абсолютні вимірювання властивостей досліджуваних зразків, завдяки точному розрахунку зсуву резонансних частот ДЛЯ двовимірної моделі осередки Так, для TEMoos-типу коливань в 8-мм діапазоні спостерігається однозначна залежність зсуву резонансної частоти осередку від діаметра зразка 2а і величини його діелектричної проникності (Рис2, ε = 1 ^ 7)

Для підвищення точності вимірювання tmS були обрані параметри комірки і досліджуваного зразка, що забезпечують мінімум дифракційних втрат ДЛЯ робочого типу коливань На рісЗ приведено поведінку дифракційної добротності (log)

для ΤΕΜοοδ-типу коливань залежно від діаметра І діелектричної проникності зразка Так, для зразків з діаметром 2а = 1 ^ 2 мм радіаційними втратами ТЕМоо5-типу коливань можна нехтувати (log > 5 для ^ = 1,5 ^ 7,0)

Рис 3 Дифракційна добротність осередки

Fig 3 Cell diffraction Q-factor

Для тестових вимірювань були обрані циліндричні зразки фторопласту (2 ^ = 1,90 мм) і плавленого кварцу (2 «= 2,51 мм) Для роботи осередки в 8-мм діапазоні був обраний ТЕМоо5-тип коливань, а в 4-мм діапазоні – ТЕМооп-тип коливань Діелектрична проникність зразків, виміряна по зрушенню резонансної частоти (^ = 2,07 для фторопласта І ^ = 3,87 для кварцу), відповідає табличним даним

III Висновок

Запропонована відкрита резонансна осередок дозволяє провести абсолютні вимірювання діелектричної І магнітної проникності речовин в міліметровому діапазоні і не вимагає додаткового калібрування Оптимізація параметрів осередку І відновлення параметрів зразка може бути проведено з використанням суворої двовимірної моделі ОР

Робота виконана за часткової фінансової підтримки фонду УНТЦ, проект № 1770

IV                           Список літератури

[1] Власов С Н, Копосова Є В, Мазур А Е, Паршин

B В Про вимір діелектричної проникності резонансним методом / / Изв Вузів Радіофізика 1996 Т39, № 5 С615-623

[2] Кгірка J, Derzakowski Κ, Abramocicz А et al Use of whispering-gallery modes for complex permittivity determinations of ultra-low-losses dielectric materials / / IEEE Trans, on MTT, 1999 Vol47 No 6, pp752-759

[3] Мележик П H, Бровенко AB, Поедінчук AE Спектральні характеристики відкритого резонатора з металодіелектричних циліндричним включенням / / Изв Вузів Радіофізика 1998 Т41, № 10 С 1336

[4] Мележик П Н, Мірошниченко В С, Сенкееіч Є Б Відкриті резонатори з провідними циліндричними вставками / / Изв Вузів Радіофізика 2005 Т48, № 8

C       684-691

OPEN RESONANT CELL FOR MEASUREMENT OF MATERIALS PERMITTIVITY AND PERMEABILITY

Brovenko A V, Miroshnichenko V S,

Melezhik P N, Senkevich Ye B

The A Ya Usikovs Institute of Radiophysics and Electronics of the NAS of Ukraine

12,           Ak Proskury str, Kharkov, 61085, Ukraine Ph: 38(057)7203393, e-mail: mirosh@irekharkovua

Abstract – The open resonant cell for absolute measurement of permittivity and permeability of cylindrical samples and thin film, put on a cylindrical surface is offered The results of electromagnetic modelling and test experimental measurements of material constants for samples with known properties in 8-mm and 4-mm wavelength ranges are submitted

I                                         Introduction

in millimetre band, a few types of open resonators (OR) are used traditionally as resonant cells for absolute measurement of materials parameters Besides, there are restrictions on the shape of researching samples Thus, in semispherical OR the sample should be executed as parallel-plane plate with enough large cross sizes [1], and in the permittivity-meter in the whispering-gallery mode the cylindrical sample represents an OR- cell designed previously for measurement frequency [2] For other types of OR-cells the strong analysis is not possible and preliminary calibration of the permittivity-meters is necessary

II                                        Main Part

The OR-cell is analogue of the two-dimensional OR with cylindrical mirrors, having evanescent sites for waves extending along OY axis (Fig1) Cylindrical sample with 2a diameter is located in the central electrical field antinode of TEMooq-mode with odd longitudinal index (q =2m+1) for permittivity measurement, or it is located in the central magnetic field antinode of TEMooq-mode with even longitudinal index (q = 2m) for permeability measurement Waveguide taper coupler for OR excitation is in the center of cylindrical mirror and provides excitation of H-polarized oscillations only (Я II OY) Resonant cell allows carrying out absolute measurements of material constants for thin films Besides, OR – cell can be used for continuous diameter control

The strong solution of spectral problem for two-dimensional OR with cylindrical inserts is given in [3] The features of the excited mode spectrum are analysed in [4]

Simple dependence of the cell resonance frequency shift versus sample diameter 2a and its permittivity is observed for TEMoos -mode in 8-mm wavelength range (Fig2, ε=1^7) Diffraction Q-factor (logQ^) for TEMoos-mode versus sample diameter and permittivity are shown in Fig3

Test measurements for cylindrical samples of Teflon (2a = 1,90 mm) and fused quarts (2a = 2,51mm) was carried out in 8- mm range on TEMoos -mode, and in 4-mm range on TEMoon – mode Measured samples permittivity (ε=2,07 for Teflon and ε=387 for quarts) are presented as tabular data

III                                       Conclusion

The cylindrical OR-cell for absolute measurement of samples permittivity and permeability in millimetre range without additional calibration is offered The cell parameters optimisation and sample parameters restored are carried out using strong two-dimensional OR model

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