Устройство для измерения характеристик пластин из диэлектрических материалов

Предлагаемое устройство для измерения характеристик пластин из диэлектрических материалов относится к радиотехнике и может быть использовано как для отработки технологии при изготовлении диэлектриков с заданной диэлектрической проницаемостью (), так и при контроле готовой продукции. Устройство для измерения характеристик пластин из диэлектрических материалов состоит из СВЧ-генератора, соединенного с устройством для измерения резонансной частоты, к волноводному тракту которого подключен резонатор в виде отрезка прямоугольного волновода с продольной щелью, отделенного от волноводного тракта диафрагмой. Для достижения возможности оперативного измерения характеристик пластин из диэлектрических материалов заданных размеров и, соответственно, оценки пригодности их для последующих операций в отрезке прямоугольного волновода выполнена вторая продольная щель, причем обе щели расположены одна под другой на разных его широких стенках и ориентированы по их продольным осям, при этом в процессе измерения через продольные щели в рабочий объем резонатора поочередно вводят эталонную и испытуемую пластины из диэлектрического материала.

Предлагаемое устройство для измерения характеристик пластин из диэлектрических материалов относится к радиотехнике и может быть использовано как для отработки технологии при изготовлении диэлектриков с заданной диэлектрической проницаемостью (), так и при контроле готовой продукции.

Известен способ и устройства, выполненные на его основе, для измерения диэлектрической проницаемости материалов в области частот более 3·10⁹ МГц с использованием объемных резонаторов (см. «Методы измерения диэлектрической проницаемости вещества на сверхвысоких частотах», авт. В.П.Шестапалов и К.П.Яцук. «Успехи физических наук», том LXXIV, вып. 4, август 1961 г.).

При этом наиболее часто применяются два типа колебаний Н₁₀₁ и Е₁₀₀ В этом случае испытуемый образец выполняют в виде цилиндрического диска и располагают его у торца объемного резонатора с одним элементом связи, измерения проводят при наличии испытуемого образца и без него при резонансе в обоих случаях. Далее проводятся вычисления по известным формулам.

Известны устройства, выполненные на основе метода определения относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь tg диэлектрических материалов, основанный на измерении коэффициента стоячей волны и сдвига узлов стоячей волны в короткозамкнутом прямоугольном волноводе или резонансной частоты при размещении в нем образца испытуемого диэлектрика (см. «О волноводном методе измерения электрических параметров диэлектриков» авт. Ю.А.Колосов, Ф.Е.Левков, «Антенны» вып. 12(163), 2010 г.).

Недостатком приводимых устройств является невозможность непосредственно и оперативно контролировать качество пластин из диэлектрических материалов, определяемое как отклонениями от номинальных значений диэлектрической проницаемости, так и отклонениями от номинальных размеров пластины из диэлектрических материалов.

Известен способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости, в котором используется прямоугольный волновод короткозамкнутый на конце с продольной щелью на его боковой стенке, которая в процессе измерения закрывается эталонным короткозамыкателем или измеряемым образцом, причем перед процессом измерения воздушный зазор между волноводом и измеряемым образцом или эталоном заливается припоем (см. Патент РФ 2234103 С1, 2003 г., авт. Дмитриенко Г.В.).

Недостатком указанного способа является необходимость заливать припоем воздушные зазоры, так как продольная щель на боковой стенке является излучающей и наличие зазоров недопустимо, а также невозможность непосредственно и оперативно контролировать качество пластин из диэлектрических материалов, определяемое как отклонениями от номинальных значений диэлектрической проницаемости, так и отклонениями от номинальных размеров пластин из диэлектрических материалов.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство для измерения комплексной диэлектрической проницаемости диэлектрических материалов, содержащее СВЧ-генератор с устройством для измерения резонансной частоты, к волноводному тракту которого через диафрагму подключен резонатор стоячей волны, выполненный из короткозамкнутого волновода с продольной щелью на боковой стенке, при этом в процессе измерения эта щель закрывается эталонным короткозамыкателем или измеряемым образцом (см. Патент РФ 2247399 С1 от 20.01.2004 г., авт. Дмитриенко Г.В., Трефилов Н.А.).

Недостатком приводимого устройства является невозможность оперативно контролировать качество пластин из диэлектрических материалов, определяемое как характеристиками диэлектрика, так и отклонениями размеров пластины из диэлектрических материалов от номинальных размеров.

Сущность предлагаемой полезной модели состоит в том, что устройство для измерения характеристик пластин из диэлектрических материалов состоит из СВЧ-генератора, соединенного с устройством для измерения резонансной частоты, к волноводному тракту которого подключен резонатор в виде отрезка прямоугольного волновода с продольной щелью, отделенного от волноводного тракта диафрагмой.

Новыми признаками заявляемой полезной модели является то, что в отрезке прямоугольного волновода выполнена вторая продольная щель, причем обе щели расположены одна под другой на разных его широких стенках и ориентированы по их продольным осям, при этом в процессе измерения через продольные щели в рабочий объем резонатора поочередно вводят эталонную и испытуемую пластины из диэлектрического материала.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является возможность оперативного измерения характеристик пластин из диэлектрических материалов заданных размеров и, соответственно, оценки пригодности их для последующих операций по совокупности двух параметров одновременно - отклонениям по величине диэлектрической проницаемости и отклонениям от номинальных размеров. Использование для введения в рабочий объем резонатора пластин из диэлектрических материалов узких продольных неизлучающих щелей, расположенных на серединах широких стенок отрезка волновода параллельно его продольной оси, позволяет избежать ошибок, характерных при использовании излучающих щелей. Применение «неизлучающих» щелей позволяет оперативно вводить пластины из диэлектрического материала в объемный резонатор, не разбирая его, не отключая от волноводного тракта установки и не ликвидируя, как в других устройствах аналогичного назначения, воздушные полости при наложении испытуемых образцов на излучающие щели.

На фиг.1 приведена схема устройства для измерения характеристик пластин из диэлектрических материалов.

На фиг.2 приведено схематическое изображение волноводного резонатора, предлагаемого использовать в устройстве для измерения характеристик пластин из диэлектрических материалов.

На Фиг.3 приведена зависимость коэффициента отражения S11 от величины диэлектрической проницаемости материала пластины;

На Фиг.4 приведена зависимость коэффициента отражения S11 от толщины пластины при фиксированной величине диэлектрической проницаемости.

Предлагаемое устройство состоит из СВЧ-генератора 1,волноводного тракта 2, объемного резонатора 3, выполненного из отрезка прямоугольного волновода 4 с диафрагмой 5 на входе и продольными щелями 6 на широких стенках отрезка волновода, в которые вводятся испытуемые пластины из диэлектрических материалов 7, а также устройства измерения частоты 8 для измерения резонансной частоты резонатора.

Предлагаемое устройство работает, используя эффект изменения резонансной частоты волноводного резонатора при изменении характеристик пластин из диэлектрических материалов, помещаемых в рабочий объем резонатора. СВЧ-генератор 1 обеспечивает формирование сигналов качающейся частоты в заданном диапазоне частот, которые подаются через волноводный тракт 2 в рабочий объем объемного резонатора 3 через диафрагму 5, при этом через продольные щели 6 в широких стенках отрезка прямоугольного волновода 4 в рабочий объем резонатора помещается эталонная пластина 7 из диэлектрических материалов. При совпадении частоты сигнала СВЧ-генератора 1 с резонансной частотой резонатора 3 с установленной в нем эталонной пластиной 7 из диэлектрических материалов в волноводном тракте появляется сигнал, фиксируемый устройством для измерения частот сигналов 8. Далее эталонная пластина из диэлектрических материалов 7 удаляется и на ее место устанавливается измеряемая пластина из диэлектрических материалов 7 и фиксируется изменение резонансной частоты объемного резонатора 3. По результатам измерений принимается решение о соответствии заданным требованиям измеряемой пластины из диэлектрических материалов.

Таким образом, технико-экономические преимущества предложенного устройства для измерения характеристик пластин из диэлектрических материалов заключаются в возможности проведения оценки пригодности пластин из диэлектрических материалов для последующих операций одновременно по совокупности двух параметров - величине диэлектрической проницаемости и размерам пластин, при этом применение для введения пластин в рабочий объем резонатора «неизлучающих» щелей позволяет увеличить точность и оперативность измерений. Кроме этого предлагаемое устройство позволяет организовать на предприятии-изготовителе пластин из диэлектрических материалов контроль выпуска продукции с заданными характеристиками.

Предлагаемое устройство для измерения характеристик пластин из диэлектрических материалов изготовлено как на предприятии-потребителе пластин из диэлектрических материалов, так и на предприятии-изготовителе этих пластин. Опыт использования предложенного устройства показал его эффективность в части увеличение процента выхода годных изделий на 20÷30%.

Устройство для измерения характеристик пластин из диэлектрических материалов, содержащее СВЧ генератор, соединенный с устройством для измерения резонансной частоты, к волноводному тракту которого подключен резонатор в виде отрезка прямоугольного волновода с продольной щелью, отделенного от волноводного тракта диафрагмой, отличающееся тем, что в отрезке прямоугольного волновода выполнена вторая продольная щель, причем обе щели расположены одна под другой на разных его широких стенках и ориентированы по их продольным осям, при этом в процессе измерения через продольные щели в рабочий объем резонатора поочередно вводят эталонную и испытуемую пластины из диэлектрического материала.