[go: up one dir, main page]

RU2789626C1 - Method for measuring the relative complex dielectric permittivity of a lossy material - Google Patents

Method for measuring the relative complex dielectric permittivity of a lossy material Download PDF

Info

Publication number
RU2789626C1
RU2789626C1 RU2022100083A RU2022100083A RU2789626C1 RU 2789626 C1 RU2789626 C1 RU 2789626C1 RU 2022100083 A RU2022100083 A RU 2022100083A RU 2022100083 A RU2022100083 A RU 2022100083A RU 2789626 C1 RU2789626 C1 RU 2789626C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
permittivity
angle
relative
measuring
relative complex
Prior art date
Application number
RU2022100083A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виталий Петрович Крылов
Иван Васильевич Подольхов
Александр Петрович Шадрин
Максим Олегович Забежайлов
Original Assignee
Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г.Ромашина"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г.Ромашина" filed Critical Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г.Ромашина"
Application granted granted Critical
Publication of RU2789626C1 publication Critical patent/RU2789626C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: measuring technology.
SUBSTANCE: invention relates to measuring technology, in particular to the measurement of ultra-high-frequency parameters of materials in free space. A method for measuring the relative complex permittivity of a flat sample of a material with dielectric losses in the frequency band of the microwave range, in which the dependence of the complex reflection coefficient is measured using a microwave meter when the electric field of the incident wave is parallel to the plane of incidence and the relative complex permittivity is determined. For each frequency of the microwave range, using the sweep method with a predetermined iteration step, the relative complex permittivity is calculated using the formula:
Figure 00000069
where i is an imaginary unit;
Figure 00000070
is an imaginary part of the dielectric constant;
Figure 00000071
is relative permittivity.
EFFECT: increase in the accuracy of measuring the frequency dependence of the relative complex permittivity of a flat sample material in a wide frequency band in free space.
1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению сверхвысокочастотных параметров материалов в свободном пространстве.The invention relates to measuring technology, in particular to the measurement of microwave parameters of materials in free space.

Известны способы измерения относительной диэлектрической и магнитной проницаемостей в объемном резонаторе на фиксированной частоте, когда образец измеряется в двух положениях: на поршне и на подставке (Е.Б.Зальцман. Измерение параметров магнитодиэлектриков и не намагниченных ферритов при помощи прямоугольного резонатора на волну Н10.// Радиотехника, 1958, с.13, №10, с.76-80). There are known methods for measuring relative dielectric and magnetic permeability in a voluminous resonator at a fixed frequency, when the sample is measured in two positions: on the piston and on the stand (E.B. Zaltsman. Measure the parameters of magnetodiumlectrics and non -magnetized ferrites using a rectangular resonator on the wave of N 10 . // Radio engineering, 1958, p.13, No. 10, p.76-80).

Недостатком способов является узкополосность производимых измерений. При измерении параметров парамагнитных и ферромагнитных материалов точность измерения снижается, потому что магнитное поле материала искажает структуру поля в резонаторе и метод малых возмущений, используемый в резонансном методе измерений не выполняется.The disadvantage of the methods is the narrow band of the measurements. When measuring the parameters of paramagnetic and ferromagnetic materials, the measurement accuracy decreases, because the magnetic field of the material distorts the structure of the field in the resonator and the small perturbation method used in the resonant measurement method is not performed.

Волноводные и резонаторные методы измерения относительной диэлектрической и магнитной проницаемостей имеют высокую точность и чувствительность измерения сверхвысокочастотных параметров, но обладают существенным недостатком – узкополосностью производимых измерений (В.Н.Егоров. Резонансные методы исследования диэлектриков на СВЧ.// Приборы и техника эксперимента. – 2007, №2, с.5-38).Waveguide and resonator methods for measuring the relative dielectric and magnetic permeability have high accuracy and sensitivity for measuring microwave parameters, but have a significant drawback - the narrow band of the measurements (V.N. Egorov. Resonance methods for studying dielectrics at microwave frequencies.// Instruments and experimental techniques. - 2007 , No. 2, p.5-38).

Известны амплитудно-фазовые приборы, работающие на «прохождение» и «отражение» электромагнитной волны в свободном пространстве, используемые для измерения относительной диэлектрической и магнитной проницаемости материалов (Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник в 2-х книгах, кн.1 под ред. В.В.Клюева. 2-е изд., перераб. и доп., М.: Машиностроение. 1986, с.220-224, 233-234, рис.17 с. 217-219).Known amplitude-phase devices that work on the "passage" and "reflection" of an electromagnetic wave in free space, used to measure the relative dielectric and magnetic permeability of materials (Devices for non-destructive testing of materials and products. Handbook in 2 books, book 1 under V. V. Klyuev, 2nd ed., revised and supplemented, M.: Mashinostroenie, 1986, pp. 220-224, 233-234, fig. 17 pp. 217-219).

Описаны способы определения относительной диэлектрической проницаемости материала по мощности и фазе прошедшей и отраженной волны (Е.А.Воробьев. Радиоволновой контроль судовых радиотехнических конструкций и материалов, Л.: Судостроение, 1986, 81, с. 22).Methods for determining the relative permittivity of a material by the power and phase of the transmitted and reflected waves are described (EA Vorobyov. Radio wave control of ship radio engineering structures and materials, L.: Sudostroenie, 1986, 81, p. 22).

Известны способы определения относительной диэлектрической проницаемости материалов по мощности и фазе отраженной волны от пластины, расположенной под углом Брюстера (А.с. СССР №1550436, кл. G01R 27/26, опубл.15.03.1990 Бюл. №10; Патент РФ №2249178, МПК G01B 15/02, G01R 27/26, опубл. 27.03.2005, Бюл. №9, Заявка на изобретение 2003 106 528 , опубл. 10.09.2004).Known methods for determining the relative permittivity of materials from the power and phase of the reflected wave from a plate located at the Brewster angle (AS USSR No. 1550436, class G01R 27/26, publ. , IPC G01B 15/02, G01R 27/26, published 03/27/2005, Bull. No. 9, Application for an invention 2003 106 528, published 09/10/2004).

Недостатком этих способов является требование к высокой точности изготовления плоских образцов протяженных размеров на уровне 0,005 мм, что с технологической точки зрения при больших размерах образцов трудновыполнимо. Высокие требования предъявляются также к радиотехническому качеству измерительного полигона и точности измерительной аппаратуры. The disadvantage of these methods is the requirement for high accuracy in the manufacture of flat samples of extended dimensions at the level of 0.005 mm, which is difficult to implement from a technological point of view for large sample sizes. High demands are also placed on the radio engineering quality of the measuring range and the accuracy of the measuring equipment.

При всех недостатках, присущих способу измерения сверхвысокочастотных параметров материала в свободном пространстве, его важное преимущество состоит в возможности получения зависимостей относительной диэлектрической проницаемости от частоты в широкой полосе. With all the disadvantages inherent in the method of measuring the microwave parameters of a material in free space, its important advantage lies in the possibility of obtaining dependences of the relative permittivity on frequency in a wide band.

Для получения расширенной информации об исследуемом материале требуется измерение его диэлектрических свойств в широкой полосе частот с постоянным увеличением верхних граничных частот, где размеры резонансных систем становятся сравнимыми в длиной волны, поэтому направление развития методов исследований свойств материалов связано с использованием в радиодиапазоне оптических методов в свободном пространстве, для которых с созданием СВЧ-измерителей в виде широкополосных анализаторов цепей достигнут прогресс в приборном обеспечении. To obtain extended information about the material under study, it is necessary to measure its dielectric properties in a wide frequency band with a constant increase in the upper boundary frequencies, where the dimensions of resonant systems become comparable in wavelength, therefore, the direction of development of methods for studying the properties of materials is associated with the use of optical methods in free space in the radio range. , for which, with the creation of microwave meters in the form of broadband network analyzers, progress has been made in instrumentation.

Вместе с тем известные способы измерения сверхвысокочастотных параметров материала в свободном пространстве обладают методическими недостатками, которые не позволяют одновременно производить измерение относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь материалов с высокой точностью. At the same time, the known methods for measuring the microwave parameters of a material in free space have methodological shortcomings that do not allow simultaneous measurement of the relative permittivity and dielectric loss tangent of materials with high accuracy.

Наиболее близким техническим решением является способ измерения относительной комплексной диэлектрической проницаемости (Способ измерения относительной комплексной диэлектрической проницаемости материала с потерями. Патент РФ № 2613810, МПК G01R 27/00, опубл. 21.03.2017, Бюл. № 9). The closest technical solution is the method of measuring relative comprehensive dielectric permeability (a method of measuring relative complex dielectric permeability of the material with losses . Patent of the Russian Federation No. 2613810, MPC G01R 27/00, publ. 03/21/2017, Bul. No. 9).

В этом методе при изменении угла падающей электромагнитной линейно поляризованной волны с вектором электрического поля, лежащим в плоскости падения, на плоский образец материала (ТМ-волна) находится угол, который определяется из условия перпендикулярности между направлениями прошедшей и отраженной волнами, исходя из которого устанавливается взаимосвязь между углом Брюстера и электродинамическими параметрами материала пластины в виде формулы Брюстера: In this method, when changing the angle of an incident electromagnetic linearly polarized wave with an electric field vector lying in the plane of incidence, an angle is found on a flat sample of material (TM wave), which is determined from the condition of perpendicularity between the directions of the transmitted and reflected waves, based on which the relationship is established between the Brewster angle and the electrodynamic parameters of the plate material in the form of the Brewster formula:

Figure 00000001
Figure 00000001

где

Figure 00000002
– угол, при котором выполняются условия закона Брюстера;Where
Figure 00000002
is the angle at which the conditions of Brewster's law are satisfied;

Figure 00000003
– относительная комплексная диэлектрическая проницаемость материала;
Figure 00000003
is the relative complex permittivity of the material;

Figure 00000004
– относительная диэлектрическая проницаемость;
Figure 00000004
is the relative permittivity;

Figure 00000005
– мнимая часть диэлектрической проницаемости;
Figure 00000005
is the imaginary part of the permittivity;

Figure 00000006
– тангенс угла диэлектрических потерь в материале.
Figure 00000006
is the dielectric loss tangent in the material.

Как установили авторы, формула (1) выполняется только при отсутствии потерь в материале, но с увеличением тангенса угла диэлектрических потерь наблюдаются значительные расхождения между условиями выполнения закона Брюстера, что снижает точность определения относительной комплексной диэлектрической проницаемости. As the authors found, formula (1) is valid only in the absence of losses in the material, but with an increase in the dielectric loss tangent, significant discrepancies are observed between the conditions for the fulfillment of Brewster's law, which reduces the accuracy of determining the relative complex permittivity.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения частотной зависимости относительной комплексной диэлектрической проницаемости материала плоского образца в широкой полосе частот в свободном пространстве.The objective of the present invention is to improve the accuracy of measuring the frequency dependence of the relative complex permittivity of the material of a flat sample in a wide frequency band in free space.

Поставленная задача достигается тем, что предложен способ измерения комплексной относительной диэлектрической проницаемости плоского образца материала с диэлектрическими потерями в полосе частот СВЧ диапазона, в котором с помощью СВЧ-измерителя измеряют зависимость комплексного коэффициента отражения, когда электрическое поле падающей волны параллельно плоскости падения и определяют относительную комплексную диэлектрическую проницаемость, отличающийся тем, что для каждой частоты СВЧ диапазона с помощью метода прогонки с заранее заданным шагом итераций рассчитывают относительную комплексную диэлектрическую проницаемость по формуле:The task is achieved by the fact that a method is proposed for measuring the complex relative permittivity of a flat sample of material with dielectric losses in the microwave frequency band, in which the dependence of the complex reflection coefficient is measured using a microwave meter, when the electric field of the incident wave is parallel to the plane of incidence and the relative complex value is determined. permittivity, characterized in that for each frequency of the microwave range, using the sweep method with a predetermined iteration step, the relative complex permittivity is calculated by the formula:

Figure 00000007
Figure 00000007

где i – мнимая единица;where i is the imaginary unit;

Figure 00000005
– мнимая часть диэлектрической проницаемости;
Figure 00000005
is the imaginary part of the permittivity;

Figure 00000004
– относительная диэлектрическая проницаемость,
Figure 00000004
is the relative permittivity,

путем решения двух совместных уравнений, первое из которых составлено для значения угла

Figure 00000008
найденного из измеренной угловой зависимости амплитуды коэффициента отражения Френеля и соответствующего расчетному минимуму отраженной волны по формуле:by solving two joint equations, the first of which is compiled for the angle value
Figure 00000008
found from the measured angular dependence of the amplitude of the reflection coefficient of the frane and corresponding to the calculated minimum of the reflected wave according to the formula:

Figure 00000009
Figure 00000009

где:

Figure 00000010
– расчетная угловая зависимость комплексного коэффициента отраженной волны;Where:
Figure 00000010
is the calculated angular dependence of the complex coefficient of the reflected wave;

Figure 00000011
Figure 00000011

Figure 00000012
– параметр, соответствующий плоскому образцу толщиной d2;
Figure 00000012
- parameter corresponding to a flat sample with a thickness d 2 ;

Figure 00000013
– длина волны, f – частота измерений, C – скорость света;
Figure 00000013
is the wavelength, f is the measurement frequency, C is the speed of light;

Figure 00000014
Figure 00000014

α1 – угол падения волны на плоский образец;α 1 is the angle of incidence of the wave on a flat sample;

α2 – угол преломления,α 2 - angle of refraction,

и второе составлено для значения угла

Figure 00000015
найденного из измеренной угловой зависимости фазы коэффициента отражения Френеля и соответствующего расчетной фазе, по формуле: and the second is composed for the value of the angle
Figure 00000015
found from the measured corner dependence of the phase of the reflection coefficient of the frane and the corresponding calculated phase, according to the formula:

Figure 00000016
Figure 00000016

Для анализа условий проведения измерений относительной комплексной диэлектрической проницаемости авторы использовали задачу наклонного падения электромагнитной волны на бесконечную пластину диэлектрика, в которой по рассчитанным величинам амплитуды и фазы отраженной волны в рамках геометрической оптики, определяли относительную комплексную диэлектрическую проницаемость образца. Параметры образца в виде пластины указаны на фиг. 1, на которой между первой и третьей средами с электродинамическими параметрами

Figure 00000017
и
Figure 00000018
Figure 00000019
To analyze the conditions of measurements of relative comprehensive dielectric permeability, the authors used the task of an inclined drop in an electromagnetic wave on an endless plate of a dielectric, in which, according to the calculated values of the amplitude and phase of the reflected wave within the framework of geometric optics, the relative complex dielectric permeability of the sample was determined. The parameters of the sample in the form of a plate are indicated in Fig. 1, on which between the first and third media with electrodynamic parameters
Figure 00000017
And
Figure 00000018
Figure 00000019

где

Figure 00000020
– относительные комплексные диэлектрические проницаемости сред,
Figure 00000021
– относительные комплексные магнитные проницаемости сред, располагается исследуемый плоский образец с относительной комплексной диэлектрической проницаемостью
Figure 00000022
и относительной комплексной магнитной проницаемостью
Figure 00000023
и геометрической толщиной d2. Падающая волна изображена в виде луча, составляющего с перпендикуляром к границе пластины угол
Figure 00000024
а преломленная волна изображена в виде луча под углом α2 к перпендикуляру. Where
Figure 00000020
are the relative complex permittivities of the media,
Figure 00000021
are the relative complex magnetic permeability of the media, the investigated flat sample is located with a relative complex permittivity
Figure 00000022
and relative complex magnetic permeability
Figure 00000023
and geometric thickness d 2 . The incident wave is shown as a ray making an angle with the perpendicular to the plate boundary
Figure 00000024
and the refracted wave is shown as a beam at an angle α 2 to the perpendicular.

Модель расчета коэффициента отражения для задачи в рамках геометрической оптики построена на основе матричного метода для плоского образца (Борн М., Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2-е. М.: Из-во «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1973, 720 с.). The model for calculating the reflection coefficient for a problem within the framework of geometric optics is built on the basis of the matrix method for a flat sample (M. Born, E. Wolf. Fundamentals of Optics. 2nd ed. Literature, 1973, 720 pp.).

Расчетная угловая зависимость комплексного коэффициента отраженной волны равна:The calculated angular dependence of the complex coefficient of the reflected wave is:

Figure 00000025
Figure 00000025

где:

Figure 00000026
Where:
Figure 00000026

Figure 00000027
– параметр, соответствующий плоскому образцу толщиной d2,
Figure 00000027
- parameter corresponding to a flat sample with a thickness d 2 ,

i мнимая единица, i - imaginary unit,

λ0 – длина волны,λ 0 - wavelength,

Figure 00000028
;
Figure 00000029
Figure 00000028
;
Figure 00000029

α1 – угол падения волны на плоский образец; α 1 is the angle of incidence of the wave on a flat sample;

α2 – угол преломления.α 2 is the angle of refraction.

Авторы установили, что левая часть формулы равна действительному углу, а правая тангенсу от комплексной величины, поэтому она выполняется только при действительной величине относительной комплексной диэлектрической проницаемости, то есть для материала без потерь. The authors found that the left side of the formula is equal to the real angle, and the right side is equal to the tangent of the complex value, so it is only valid for the real value of the relative complex permittivity, that is, for a lossless material.

При падении электромагнитной линейно-поляризованной волны с вектором электрического поля, лежащим в плоскости падения, под углом Брюстера на пластину материала с потерями, угол между отраженной и прошедшей волнами отличается от 90° и растет с увеличением диэлектрических и магнитных потерь. When an electromagnetic linearly polarized wave with an electric field vector lying in the plane of incidence is incident at the Brewster angle onto a plate of lossy material, the angle between the reflected and transmitted waves differs from 90° and increases with increasing dielectric and magnetic losses.

Для определения относительной комплексной диэлектрической проницаемости с использованием измеренных параметров отраженной волны в виде определения угла, соответствующего углу Брюстера, не достаточно.To determine the relative complex permittivity using the measured parameters of the reflected wave in the form of determining the angle corresponding to the Brewster angle, it is not enough.

Обобщая полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований и анализируя математические формулы определения фазы и амплитуды электромагнитных волн в виде:Summarizing the results of theoretical and experimental studies and analyzing the mathematical formulas for determining the phase and amplitude of electromagnetic waves in the form:

Figure 00000030
Figure 00000030

можно делать вывод, что скачок фазы электромагнитной волны на 180° в области угла Брюстера происходит тогда, когда выполняется условие равенства нулю действительной части амплитуды: it can be concluded that the phase jump of an electromagnetic wave by 180° in the region of the Brewster angle occurs when the condition of equality to zero of the real part of the amplitude is satisfied:

Figure 00000031
Figure 00000031

а условие минимума амплитуды при равенстве нулю модуля амплитуды:and the condition for the minimum amplitude when the absolute value of the amplitude is equal to zero:

Figure 00000032
Figure 00000032

выполняется только при условии равенства нулю действительной и мнимой частей амплитуды электромагнитной волны:is carried out only under the condition that the real and imaginary parts of the electromagnetic wave amplitude are equal to zero:

Figure 00000033
Figure 00000033

поэтому, как видно из сравнения условий (5) и (7), в общем случае точки минимума амплитуды и скачка фазы на 180° не должны совпадать. Но так как в основе математического описания электромагнитных амплитуд лежат гармонические функции, то очевидно, что для среды с электромагнитными параметрами с незначительными диэлектрическими и магнитными потерями совпадение условий (5) и (7) достаточно часто наблюдается для частотных зависимостей и реже для угловых зависимостей, как для отраженных, так и для прошедших волн. therefore, as can be seen from a comparison of conditions (5) and (7), in the general case, the points of the minimum amplitude and the phase jump by 180° should not coincide. But since the mathematical description of electromagnetic amplitudes is based on harmonic functions, it is obvious that for a medium with electromagnetic parameters with insignificant dielectric and magnetic losses, the coincidence of conditions (5) and (7) is quite often observed for frequency dependences and less often for angular dependences, as for both reflected and transmitted waves.

Поэтому разница в угловых положениях минимума и скачка фазы на 180° отраженной волны в области угла Брюстера, наблюдаемая в экспериментах, связана не с отклонениями в законах Френеля, а в разнице условий их природного положения, что видно при проведении расчетов отраженных волн в пределах геометрической оптики при учете комплексных величин электродинамических параметров среды.Therefore, the difference in the angular positions of the minimum and phase jump by 180° of the reflected wave in the region of the Brewster angle, observed in experiments, is not associated with deviations in the Fresnel laws, but in the difference in the conditions of their natural position, which can be seen when calculating the reflected waves within geometric optics when taking into account the complex values of the electrodynamic parameters of the medium.

Поэтому предлагается проводить измерение:Therefore, it is proposed to measure:

– угла падения α1, равного углу

Figure 00000034
для условия минимума модуля коэффициента отражения:– angle of incidence α 1 equal to the angle
Figure 00000034
for the condition of the minimum modulus of the reflection coefficient:

Figure 00000035
Figure 00000035

– угла падения α1, равного углу

Figure 00000036
для условия равенства фазы коэффициента отражения: – angle of incidence α 1 equal to the angle
Figure 00000036
for the condition of equality of the phase of the reflection coefficient:

Figure 00000037
Figure 00000037

Данные значений углов падения

Figure 00000038
используются для проведения расчетов относительной комплексной диэлектрической проницаемости в виде относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь с использованием формулы (2).Incident angle data
Figure 00000038
are used to calculate the relative complex permittivity in the form of relative permittivity and dielectric loss tangent using formula (2).

При этом для угла Брюстера, определяемого по формуле (1), углы, определенные для условий (8) и (9), совпадают

Figure 00000039
Moreover, for the angle of Bruster, determined by the formula (1), the angles determined for conditions (8) and (9) coincide
Figure 00000039

Авторы провели сравнительный расчет величины угла Брюстера по формуле (1) в зависимости от возрастающих диэлектрических потерь

Figure 00000040
для материала с
Figure 00000041
Figure 00000042
и с магнитной проницаемостью
Figure 00000043
с расчетами углов. The authors conducted a comparative calculation of the angle of Bruster according to the formula (1), depending on the increasing dielectric losses
Figure 00000040
for material with
Figure 00000041
Figure 00000042
and with magnetic permeability
Figure 00000043
with angle calculations.

Численным расчетом по формуле (2) определялась угловая зависимость модуля коэффициента отражения, по которой определялся угол с минимальной амплитудой отраженной волны из условия:

Figure 00000044
соответствующий углу
Figure 00000045
и второму следствию закона Брюстера для каждого значения возрастающего тангенса угла диэлектрических потерь материала
Figure 00000046
при неизменном значении относительной диэлектрической проницаемости
Figure 00000047
при отсутствии относительной комплексной магнитной проницаемости
Figure 00000048
на длине волны λ0=30 мм, и толщине пластины, равной
Figure 00000049
The numerical calculation of the formula (2) determined the angular dependence of the reflection coefficient module, according to which the angle with the minimum amplitude of the reflected wave from the condition was determined:
Figure 00000044
corresponding to the corner
Figure 00000045
and the second consequence of Brewster's law for each value of the increasing tangent of the dielectric loss angle of the material
Figure 00000046
at a constant value of the relative permittivity
Figure 00000047
in the absence of relative complex magnetic permeability
Figure 00000048
at a wavelength λ 0 =30 mm, and a plate thickness equal to
Figure 00000049

Проведенные расчеты углов, соответствующих условиям (8) и (9), в зависимости от диэлектрических потерь материала пластины, приведенные на фиг.2, на которой представлены зависимости углов от тангенса угла диэлектрических потерь, соответствующих: для кривой 1 минимуму модуля коэффициента отражения, для кривой 2 - фазе коэффициента отражения равной 90 град, кривой 3 - для угла, равного 90 град между направлениями прошедшей и отраженной волнами, при отражении от пластины с

Figure 00000050
толщиной в четверть волновой электрической толщины.The calculations of the angles corresponding to conditions (8) and (9), depending on the dielectric losses of the plate material, are shown in figure 2, which shows the dependence of the angles on the tangent of the dielectric loss angle, corresponding to: for curve 1, the minimum modulus of the reflection coefficient, for curve 2 - phase of the reflection coefficient equal to 90 degrees, curve 3 - for an angle equal to 90 degrees between the directions of the transmitted and reflected waves, when reflected from a plate with
Figure 00000050
a quarter of the electrical thickness of the wave.

Из сравнения кривых, представленных на фиг.2 видно, что с увеличением потерь в материале пластины увеличивается разница между кривыми 1 и 2, то есть условие совпадения, как по формуле (1) между углами, при которых наблюдается минимум амплитуды и при котором фаза равняется 90 град, при наличии потерь в материале не выполняется и соответствует только условию для материала пластины без потерь. From the comparison of the curves presented in figure 2 it can be seen that with increasing losses in the plate material, the difference between curves 1 and 2 increases, that is, the condition of coincidence, as in formula (1) between the angles at which the amplitude minimum is observed and at which the phase is equal to 90 deg, in the presence of losses in the material is not fulfilled and corresponds only to the condition for the plate material without losses.

Из фиг.2 также видно, что угол, при котором наблюдается направление отраженной волны, составляющий с направлением прошедшей волны 90 град с ростом потерь в материале пластины всё больше отличается от того, который рассчитывается по формуле (1) для материала пластины без потерь.Figure 2 also shows that the angle at which the direction of the reflected wave is observed, which is 90 degrees with the direction of the transmitted wave, with increasing losses in the plate material, is increasingly different from that calculated by formula (1) for the plate material without losses.

Из анализа полученных расчетных зависимостей, моделирование которых не выходило за пределы геометрической оптики, видно, что отклонения от законов Френеля не наблюдаются, а результаты расчетов совпадают с экспериментальными наблюдениями, что говорит о неприменимости формулы Брюстера в виде (1) для определения углов, соответствующих его следствиям.From the analysis of the obtained calculated dependences, the modeling of which did not go beyond the limits of geometric optics, it can be seen that deviations from the Fresnel laws are not observed, and the calculation results coincide with experimental observations, which indicates the inapplicability of the Brewster formula in the form (1) for determining the angles corresponding to its consequences.

Проведем расчеты величины углов Брюстера, используя различные критерии, следующие из закона Брюстера, и сравним их с расчетами по формулам (9) и (10) в зависимости от величины потерь материала пластины.Let us calculate the values of the Brewster angles using various criteria following from the Brewster law and compare them with the calculations using formulas (9) and (10) depending on the amount of plate material loss.

Результаты расчетов приведены на фиг. 3 для материала пластины с

Figure 00000050
, толщиной в четверть волновой электрической толщины. Кривая 1 - это зависимость положения угла, соответствующего минимуму модуля амплитуды отраженной волны от тангенса угла диэлектрических потерь. Кривая 2 - это зависимость положения угла, соответствующего значению фазы отраженной волны, равной 90° от тангенса угла диэлектрических потерь. Кривая 3 - это зависимость положения угла Брюстера, рассчитываемого по более корректной формулеThe calculation results are shown in Fig. 3 for insert material with
Figure 00000050
, a quarter of the electrical thickness of the wave. Curve 1 is the dependence of the position of the angle corresponding to the minimum modulus of the amplitude of the reflected wave on the tangent of the dielectric loss angle. Curve 2 is the dependence of the position of the angle corresponding to the value of the phase of the reflected wave, equal to 90°, on the tangent of the dielectric loss angle. Curve 3 is the dependence of the position of the Brewster angle, calculated by the more correct formula

Figure 00000051
Figure 00000051

чем формула (1), в зависимости от потерь в материале или тангенса угла диэлектрических потерь.than formula (1), depending on the losses in the material or the tangent of the dielectric loss angle.

Но тем не менее из фиг. 3 видно, что расчеты по формуле (10) не совпадают ни с кривой 1, ни с кривой 2, причем с увеличением потерь в материале, это различие растет. Поэтому очевидно, что при определении относительной комплексной диэлектрической проницаемости материалов с потерями необходимо производить расчет по формуле (2), как в предлагаемом в техническом решении. However, from FIG. It can be seen from Fig. 3 that the calculations using formula (10) do not coincide with either curve 1 or curve 2, and this difference grows with increasing losses in the material. Therefore, it is obvious that when determining the relative complex permittivity of lossy materials, it is necessary to calculate according to formula (2), as in the proposed technical solution.

Расчеты проводились с использованием программной платформы Microsoft Visual Studio стандарта FORTRAN 2008 с применением дополнительных опций для чисел с плавающими запятыми для уменьшения ошибок расчетов при моделировании задачи наклонного падения электромагнитной волны на бесконечную пластину из однородного диэлектрического материала с потерями.The calculations were carried out using the Microsoft Visual Studio software platform of the FORTRAN 2008 standard using additional options for floating point numbers to reduce calculation errors when simulating the problem of oblique incidence of an electromagnetic wave on an infinite plate of a homogeneous dielectric material with losses.

Таким образом, авторы за счет экспериментального определения положения углов, соответствующих минимуму угловой зависимости амплитуды и фазы, равной 90° отраженной волны, и последующего использования этих значений для расчета относительной комплексной диэлектрической проницаемости одновременно соответствующей уравнению (2), повысили точность её определения для материалов с потерями в широкой полосе частот.Thus, the authors, by experimentally determining the position of the angles corresponding to the minimum of the angular dependence of the amplitude and phase, equal to 90° of the reflected wave, and then using these values to calculate the relative complex permittivity simultaneously corresponding to equation (2), increased the accuracy of its determination for materials with losses over a wide frequency band.

Claims (16)

Способ измерения комплексной относительной диэлектрической проницаемости материала с потерями в полосе частот СВЧ диапазона, в котором с помощью СВЧ-измерителя измеряют зависимость комплексного коэффициента отражения, когда электрическое поле падающей волны параллельно плоскости падения и определяют относительную комплексную диэлектрическую проницаемость, отличающийся тем, что для каждой частоты СВЧ диапазона с помощью метода прогонки с заранее заданным шагом итераций рассчитывают относительную комплексную диэлектрическую проницаемость по формуле:A method for measuring the complex relative permittivity of a material with losses in the microwave frequency band, in which the dependence of the complex reflection coefficient is measured using a microwave meter, when the electric field of the incident wave is parallel to the plane of incidence and the relative complex permittivity is determined, characterized in that for each frequency In the microwave range, using the sweep method with a predetermined iteration step, the relative complex permittivity is calculated by the formula:
Figure 00000052
Figure 00000052
где i – мнимая единица;where i is the imaginary unit;
Figure 00000053
– мнимая часть диэлектрической проницаемости;
Figure 00000053
is the imaginary part of the permittivity;
Figure 00000054
– относительная диэлектрическая проницаемость,
Figure 00000054
is the relative permittivity,
путем решения двух совместных уравнений, первое из которых составлено для значения угла
Figure 00000055
найденного из измеренной угловой зависимости амплитуды коэффициента отражения Френеля и соответствующего расчетному минимуму отраженной волны по формуле:
by solving two joint equations, the first of which is compiled for the angle value
Figure 00000055
found from the measured angular dependence of the amplitude of the reflection coefficient of the frane and corresponding to the calculated minimum of the reflected wave according to the formula:
где:
Figure 00000056
Where:
Figure 00000056
Figure 00000057
– расчетная угловая зависимость комплексного коэффициента отраженной волны;
Figure 00000057
is the calculated angular dependence of the complex coefficient of the reflected wave;
Figure 00000058
Figure 00000058
Figure 00000059
– параметр, соответствующий плоскому образцу толщиной d2;
Figure 00000059
- parameter corresponding to a flat sample with a thickness d 2 ;
Figure 00000060
– длина волны, f – частота измерений, C – скорость света;
Figure 00000060
is the wavelength, f is the measurement frequency, C is the speed of light;
Figure 00000061
Figure 00000061
α1 – угол падения волны на плоский образец;α 1 is the angle of incidence of the wave on a flat sample; α2 – угол преломления,α 2 - angle of refraction, и второе составлено для значения угла
Figure 00000062
найденного из измеренной угловой зависимости фазы коэффициента отражения Френеля и соответствующего расчетной фазе, по формуле:
and the second is composed for the value of the angle
Figure 00000062
found from the measured angular dependence of the phase of the Fresnel reflection coefficient and corresponding to the calculated phase, according to the formula:
Figure 00000063
Figure 00000063
RU2022100083A 2022-01-10 Method for measuring the relative complex dielectric permittivity of a lossy material RU2789626C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2789626C1 true RU2789626C1 (en) 2023-02-06

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN118465379A (en) * 2024-07-09 2024-08-09 电子科技大学 A complex dielectric constant measurement device and method based on non-radiative TM mode separated cylindrical cavity

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4818930A (en) * 1986-11-12 1989-04-04 United Kingdom Atomic Energy Authority Method and apparatus for thin layer monitoring
RU2284533C1 (en) * 2005-05-03 2006-09-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Кубанский государственный университет (КубГУ) Method and device for non-destructive inspection of electro-physical parameters of thin flat films made of non-ferrous impedance or conducting material
RU2548064C1 (en) * 2014-01-27 2015-04-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева", НГТУ Method to measure dielectric permeability of materials and device for its realisation
RU2613810C1 (en) * 2015-10-06 2017-03-21 Георгий Галиуллович Валеев Method of measurement relative complex permittivity of material with losses in microwave range
RU2665593C1 (en) * 2017-09-27 2018-08-31 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина" Material dielectric properties measuring method and device for its implementation
US10542906B2 (en) * 2018-04-25 2020-01-28 Spectrohm, Inc. Tomographic systems and methods for determining characteristics of inhomogenous specimens using guided electromagnetic fields

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4818930A (en) * 1986-11-12 1989-04-04 United Kingdom Atomic Energy Authority Method and apparatus for thin layer monitoring
RU2284533C1 (en) * 2005-05-03 2006-09-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Кубанский государственный университет (КубГУ) Method and device for non-destructive inspection of electro-physical parameters of thin flat films made of non-ferrous impedance or conducting material
RU2548064C1 (en) * 2014-01-27 2015-04-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева", НГТУ Method to measure dielectric permeability of materials and device for its realisation
RU2613810C1 (en) * 2015-10-06 2017-03-21 Георгий Галиуллович Валеев Method of measurement relative complex permittivity of material with losses in microwave range
RU2665593C1 (en) * 2017-09-27 2018-08-31 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина" Material dielectric properties measuring method and device for its implementation
US10542906B2 (en) * 2018-04-25 2020-01-28 Spectrohm, Inc. Tomographic systems and methods for determining characteristics of inhomogenous specimens using guided electromagnetic fields

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN118465379A (en) * 2024-07-09 2024-08-09 电子科技大学 A complex dielectric constant measurement device and method based on non-radiative TM mode separated cylindrical cavity

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hasar A fast and accurate amplitude-only transmission-reflection method for complex permittivity determination of lossy materials
RU2331894C1 (en) Method of dielectric properties measurement for material bodies and device for its implementation
RU2665593C1 (en) Material dielectric properties measuring method and device for its implementation
Varadan et al. In situ microwave characterization of nonplanar dielectric objects
Hasar Unique permittivity determination of low-loss dielectric materials from transmission measurements at microwave frequencies
Hasar et al. An accurate complex permittivity method for thin dielectric materials
Hasar A microwave method for noniterative constitutive parameters determination of thin low-loss or lossy materials
RU2789626C1 (en) Method for measuring the relative complex dielectric permittivity of a lossy material
Valagiannopoulos A novel methodology for estimating the permittivity of a specimen rod at low radio frequencies
Zhang et al. Correction of complex permittivity inversion in free-space Gaussian beam reflection model
RU2713162C1 (en) Method of determining dielectric permeability of material
Hasar et al. Determination of propagation constants and wave impedance of non-reciprocal networks from position-insensitive waveguide measurements
RU2787642C1 (en) Method for determining the tangent of the dielectric loss angle of a material
Ghodgaonkar et al. Microwave nondestructive testing of composite materials using free-space microwave measurement techniques
Granet et al. Time-and-frequency domains approach to data processing in multiwavelength optical scatterometry of dielectric gratings
RU2079144C1 (en) Device for measurement of complex reflection factor in quasi-optical sections
RU2721156C1 (en) Method of determining electrophysical parameters of metamaterials
RU2688588C1 (en) Method of determining super-high-frequency parameters of material in a frequency band and a device for realizing said method
Hasar Microwave method for thickness-independent permittivity extraction of low-loss dielectric materials from transmission measurements
Hasar et al. Permittivity determination of liquid materials using waveguide measurements for industrial applications
Panda et al. Subsurface imaging of concrete structures using neural network approach
Corona et al. A new technique for free-space permittivity measurements of lossy dielectrics
Yushchenko et al. Precision microwave testing of dielectric substrates
Derzakowski Full wave analysis of multilayered cylindrical resonator containing uniaxial anisotropic media
Evdokimov et al. MICROWAVE METHODS FOR MEASURING DIELECTRIC PARAMETERS