Устройство для измерения электрических характеристик диэлектриков при высоких температурах

м/с - скорость света в вакууме;

Ф/м - электрическая постоянная;

Гн/м - магнитная постоянная;

Ом - характеристическое сопротивление плоской однородной волны, распространяющейся в вакууме;

- мнимая единица;

f - частота гармонических колебаний;

- круговая частота;

- длина волны плоской однородной волны, возбуждаемой на частоте f в вакууме;

- относительная диэлектрическая проницаемость;

- относительная магнитная проницаемость (для немагнитных материалов = 1);

- удельная электрическая проводимость;

tg - тангенс угла диэлектрических потерь;

- комплексная относительная диэлектрическая проницаемость;

- поверхностное сопротивление проводника высокочастотному току;

- длина волны собственной волны типа H10 в прямоугольном волноводе, заполненном воздухом;

- коэффициент распространения собственной волны типа H10 в волноводе, заполненном воздухом;

- коэффициент фазы собственной волны типа H10 в волноводе, заполненном воздухом;

- характеристическое сопротивление собственной волны типа H10 в волноводе, заполненном воздухом;

- длина волны собственной волны типа H10 в волноводе, заполненном диэлектриком без потерь;

- коэффициент распространения собственной волны типа H10 в волноводе, заполненном диэлектриком без потерь;

- коэффициент фазы собственной волны типа H10 в волноводе, заполненном диэлектриком без потерь;

- характеристическое сопротивление собственной волны типа H10 в волноводе, заполненном диэлектриком без потерь;

- длина волны собственной волны типа H10 в волноводе, заполненном диэлектриком с потерями;

- коэффициент распространения собственной волны типа H10 в волноводе, заполненном диэлектриком с потерями;

- коэффициент фазы собственной волны типа H10 в волноводе, заполненном диэлектриком с потерями;

- коэффициент затухания собственной волны типа H10 в волноводе, заполненном диэлектриком с потерями;

- характеристическое сопротивление собственной волны типа H10 в волноводе, заполненном диэлектриком с потерями;

a, b - линейные размеры поперечного сечения прямоугольного волновода;

r - коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН);

2a - критическая длина волны собственной волны типа H10 в прямоугольном волноводе;

d - толщина плоскопараллельного образца исследуемого материала.

Введение

В настоящее время развитие техники выходит на все более и более высокий уровень, применяются новые технологии и материалы. Современное общество конкурирует друг с другом во множестве областей науки, технике, медицине, творчестве и т.д. Заботясь о своей безопасности- конструирует новые виды оружия. В битве за Космос - придумывает новые космические аппараты. Все это дает мощные толчки для развития отрасли аэрокосмического приборостроения.

В дипломном проекте затронута важная область приборостроения - радиотехника диапазона СВЧ. В проекте разработано устройство для исследования СВЧ диэлектриков при высоких температурах. Проблема состоит в том, что современные летательные аппараты имеют на борту массу радиоэлектронного оборудования, без которого они не могут эффективно выполнять свое назначение. В состав радиоэлектронного оборудования входят радиолокационное оборудование, а также связные радиостанции.

В линиях связи «летательный аппарат-цель» антенны бортового радиооборудования выполняют роль активных элементов, параметры которых безусловно влияют на передаваемую и принимаемую информацию.

Очевидно, что антенны летательных аппаратов должны быть связаны с окружающим пространством, т.е. должны иметь выход из-под обшивки корпуса летательного аппарата.

В условиях скоростного полета в плотных слоях атмосферы вследствие набегающего потока воздуха на летательный аппарат воздействуют значительные нагрузки. В таких условиях ничем не защищенные антенны не могут выполнять свои функции. Это привело к созданию специальных колпаков для защиты антенн от воздействий внешней среды из радиопрозрачного диэлектрического материала. Такие колпаки принято называть радиопрозрачными обтекателями или просто обтекателями. Применение таких обтекателей улучшает аэродинамические свойства защищаемых ими антенн и дает возможность герметизировать размещенную в них высокочастотную радиоэлектронную аппаратуру.

В полете обтекатель подвергается сильным аэродинамическим нагрузкам (статическим и динамическим) и значительному аэродинамическому (кинетическому) нагреву. На обтекатель также воздействуют различного рода вибрации и атмосферные условия.

Отсюда можно составить ряд основных требований к диэлектрикам СВЧ ,применяемых на летательных аппаратах:

-радиопрозрачность;

-нагревостойкость;

-стабильность свойств при высоких температурах;

-стойкость к вибрациям, динамическим и статическим нагрузкам.

С ростом скоростей современных летательных аппаратов, требования к параметрам диэлектриков СВЧ повышаются. Это приводит к необходимости разработки новых СВЧ диэлектриков со все более лучшими параметрами. Следовательно, возникает потребность в приборах, способных измерять параметры материалов при теплофизических условиях, подобных эксплуатационным.

1. Результаты патентного поиска

Патентный поиск был проведен по Реферативным журналам Российской Федерации за последние 5 лет:

Всероссийский институт научной и технической информации (ВИНИТИ).Радиотехника (предметный указатель за 2004 год) /Мн.: образования

Рос. Федерации. М.: 2005. Всероссийский институт научной и технической информации (ВИНИТИ).Радиотехника (предметный указатель за 2005 год) / Мн.: образования Рос. Федерации. М.: 2006;

Всероссийский институт научной и технической информации (ВИНИТИ).Радиотехника (предметный указатель за 2006 год) / Мн.: образования Рос. Федерации. М.: 2007;

Всероссийский институт научной и технической информации (ВИНИТИ).Радиотехника (предметный указатель за 2007 год) / Мн.: образования Рос. Федерации. М.: 2008;

Всероссийский институт научной и технической информации (ВИНИТИ).Радиотехника (предметный указатель за 2008 год) / Мн.: образования Рос. Федерации. М.: 2009;

Всероссийский институт научной и технической информации (ВИНИТИ).Радиотехника Техническая радиотехника. Антенны. Волноводы. Объемные резонаторы. Распространение радиоволн. Сводный том №1,2,3,4,5.. / Мн.: образования Рос. Федерации. М.: 2009.

В результате поиска не было найдено информации по проектируемому устройству

2. Выбор метода для исследования СВЧ диэлектриков при повышенных и высоких температурах

2.1 Волноводные методы

Основной задачей раздела является оценка известных методов с точки зрения их возможностей и применимости для исследования диэлектрических материалов при высоких температурах.

Суть волноводных методов заключается в следующем [1,2]. Диэлектрический образец определенной формы помещается в волновод, полностью или частично заполняется его сечение. От генератора СВЧ на образец по волноводу направляется бегущая электромагнитная волна (рисунок 2.1). В общем случае образуется две волны: отраженная и прошедшая через образец . Сумма энергий этих волн не равна энергии падающей волны из-за потерь в диэлектрике. Информация о параметрах материала заключается в фазе и амплитуде отраженной и прошедшей волны, т.е. в комплексном коэффициенте отражения и прохождения.

Практически для измерений используются различные волноводные методы и их варианты. Например, волноводный тракт нагружается на согласованную нагрузку, при этом отраженная волна создается только самим образцом (рисунок 2.1,а). Суммарная отраженная волна образуется за счет волн, отраженных передней и задней гранями образца.

Можно исключить влияние задней грани, сделав образец «бесконечно» протяженным (рисунок 2.1,б), что практически возможно при больших потерях энергии в его материале.

Тогда прямая волна значительно ослабляется, волна отраженная задней гранью, также ослабляется и практически не влияет на волну , отраженную передней гранью образца. Если длину «бесконечного» образца уменьшить, то для исключения отражений от задней грани волновод с образцом может быть согласован с последующем незаполненным участком волновода, например, с помощью четвертьволнового трансформатора (дополнительной диэлектрической пластины, устанавливаемой вплотную к задней грани образца) либо плавного клинообразного перехода, образуемого самим образцом. Информацию о параметрах материала несет волна , отраженная от границы раздела воздух-диэлектрик, т.е. от передней грани образца. Такой метод измерения известен под названием метода «бесконечного» слоя. Волновод с конечной длиной образца может быть нагружен не только на согласованную нагрузку, но и на любую другую (рисунок 2.1,в ). При этом суммарную отраженную волну создает образец и нагрузка, следующая за ним. Безусловно, что полное сопротивление такой нагрузки Zн и расстояние от нагрузки до образца должно быть известным. Только при этом условии суммарная отраженная волна может быть аналитически связанна с параметрами материала образца.

Удобно замкнуть волновод, т.е. сделать Zн =0. Если короткозамыкатель находится непосредственно за образцом, то метод измерения называется методом короткого замыкания (к.з.), если короткозамыкатель удален от образца на расстояние, равное и, таким образом, теоретически равно бесконечности, то методом холостого хода (х.х.) (рисунок 2.1,г,д).

Рисунок 2.1-Волноводные методы измерения параметров диэлектриков:

а - согласованной нагрузки; б - бесконечного слоя; в - комплексной нагрузки; г - короткого замыкания; д - холостого хода; е - измерения комплексного коэффициента прохождения

Во всех упомянутых случаях для определения параметров диэлектрика используется отраженная волна. Методически и технически оказывается более удобным не измерять характеристик отраженной волны, а следить за стоячими волнами в волноводе перед образцом, которые образуются в результате интерференции суммарной отраженной и падающей бегущей волны. Сравнение картины стоячих волн в волноводе без образца и после его внесения в волновод дает, как правило, достаточно данных для расчета параметров материала. Инструментом изучения картины стоячих волн в волноводе может быть, например, измерительная линия.

Для измерения и твердых диэлектрических материалов широкое распространение получают волноводные методы, основанные на непосредственном наблюдении отраженной и прошедшей волн (рисунок 2.1,е), т.е. на измерении комплексного коэффициента отражения или прохождения волноводной секции, в которую помещается исследуемый образец. В первом случае величина может быть определена по разности фаз волны, отраженной короткозамкнутым волноводом с исследуемым диэлектрическим образцом, и волны, отраженной тем же волноводом, но без образца. Погрешность определения может быть малой. Например, при использовании в нормальных условиях автоматического измерителя полных сопротивлений типа РЗ-6 она составила 0,5-1%. Применение того же прибора в режиме измерения фазы коэффициента передачи волноводных четырехполюсников позволяет определить в тех же нормальных температурных условиях с меньшей погрешностью 0,2-0,5% [1].

Достоверные результаты измерений в условиях высоких температур могут быть получены только при равномерном прогреве исследуемых образцов. Для выполнения этого условия необходимо определенное время, за которое с помощью системы нагревателей можно создать равномерное тепловое поле во всем объеме образца. Так, для прогрева волноводной секции 3-см диапазона волн с диэлектрическим образцом, полностью заполняющем его сечение, как правило, затрачивается до 30-40 мин (в зависимости от мощности нагревателя, качества теплоизоляции, материала волновода и образца). Возможность улучшить равномерность прогрева, сократить время измерений, а также уменьшить вероятность возникновения необратимых температурных изменений, которые могут произойти с диэлектриком в процессе длительного прогрева состоит прежде всего в уменьшении объема образца, в рациональном выборе его формы.

С уменьшением размеров образца невозможно измерить волноводными методами малые значения , поскольку потери в диэлектрике становятся плохо различимыми на фоне собственного затухания волноводного тракта, уменьшение же объема образца приводит к неравномерности его нагрева. Поэтому метод «бесконечного» слоя дает большие ошибки.

Широкое применение для исследования диэлектриков со средними (=0,1-0,01) и малыми (<0,01) потерями нашли методы короткого замыкания и холостого хода. В нормальных температурных условиях метод х.х. обеспечивает несколько большую точность измерений, чем метод к.з. [1]. Относительные ошибки измерения имеют следующие значения:

Для метода х.х ; ;

Для метода к.з. ; .

Однако при исследовании нагревостойких материалов метод к.з. имеет определенное преимущество и чаще применяется [1]. Объясняется это следующим. Диэлектрический образец, расположенный у торца короткозамкнутой волноводной секции, прогревается скорее и равномернее. Кроме того, появляется возможность контроля температуры не только на боковых гранях, но и на торце образца. Отсутствие за образцом протяженного четвертьволнового участка волновода, меняющего свои размеры при высокотемпературном нагреве, уменьшает ошибку измерений. Наконец, размещение образца вплотную к короткозамыкателю, позволяет изготовить измерительную волноводную секцию без съемного короткозамыкателя, т.е. без стяжных контактных соединений, которые в условиях высоких температур могут иметь значительные и меняющиеся во времени переходные сопротивления и потери на СВЧ.

Следует отметить один из недостатков метода х.х., проявляющиеся при нагреве. Поскольку образец и волновод могут иметь различные коэффициенты линейного теплового расширения, то при нагреве возможно некоторое смещение образца вдоль волновода, при этом установленное ранее расстояние между образцом и короткозамыкателем будет меняться, создавая дополнительную ошибку измерения. Метод к.з. позволяет фиксировать положение образца у торца волновода. Это может быть достигнуто наклонным или вертикальным расположением измерительной секции, таким, чтобы образец скользил по волноводу и все время опирался на его торец.

Основные причины ошибок определения параметров диэлектриков ( и ), измеряемых волноводными методами в условиях высокотемпературного нагрева:

1. Тепловая девиация продольных размеров волноводного тракта и диэлектрического образца приводит к изменению электрической длины тракта и образца, а также к изменению положения самого образца и минимуму поля стоячей волны в волноводе.;

2. Тепловая девиация поперечных размеров волновода и образца является причиной изменения длины волны в волноводе, появлению зазоров между образцом и стенками измерительной волноводной секции, падения коэффициента заполнения поперечного сечения волновода диэлектриком и изменения фазовой скорости на участке волновода с образцом

Ошибка измерений, обусловленная тепловым изменением продольных и поперечных размеров волновода и образца, может быть учтена. Например, вводится поправка к измеренному методом к.з. значению диэлектрической проницаемости, рассчитываемая по следующим формулам:

при 1 < < 2,6;

при 2,6 < <5,2;

при > 5,2,

где h - высота нагретого диэлектрического образца; b - размер узкой стенки нагретого волновода.

Эти поправки учитывают возникновение тепловых зазоров между образцом и широкой стенкой волновода. Могут быть введены поправки на тепловое изменение и других размеров, однако это не всегда удается осуществить с достаточной точностью. Не всегда бывает известен коэффициент линейного температурного расширения исследуемого диэлектрического материала, только приближенно удается оценить распределение температуры вдоль волноводного тракта от измерительной секции до участков, находящихся при нормальной температуре, и т.д.;

3. Увеличение поверхностного сопротивления стенок волновода и переходного сопротивления контактных фланцевых соединений, связанное с температурным ростом удельного электрического сопротивления материала волновода, а также образованием плохо проводящих окисных пленок на его поверхности, приводит к увеличению потерь в волноводном тракте и уменьшению точности измерения диэлектрика.;

4. Повышение температуры измерительной линии и ее детекторной камеры также увеличивает ошибку измерения. Нагреву измерительной линии способствует не только прямая теплопередача через стенки волновода, но и конвективный перенос тепла к линии воздушными потоками, возникающими внутри волноводного тракта, имеющего существенно разную температуру на различных участках.

Наиболее высокая температура, достигнутая при исследовании диэлектриков волноводными методами, примерно 1800 К..

2.2 Резонаторные методы

Резонаторные методы измерения применяются в дециметровом и сантиметровом диапазоне и иногда в длинноволновой части миллиметрового диапазона. Как правило, в дециметровом диапазоне используются коаксиальны резонаторы, имеющие в этом диапазоне приемлемые габариты и добротность, а на более коротких волнах - объемные резонаторы (цилиндрические или прямоугольные). В резонаторах осуществляется более сильное взаимодействие между электромагнитным полем и исследуемым веществом, чем в волноводах, что позволяет повысить чувствительность аппаратуры и измерять параметры вещества с малыми потерями (=10-2 - 5*10-5). С другой стороны резонаторные методы позволяют исследовать вещества и с большими потерями (=0,1- 1), при этом объем образца должен быть малым по отношению к объему резонаторной плоскости [1].

Теория резонаторных методов основана на решении уравнений электромагнитного поля для приемлемого типа резонатора с учетом влияния на это поле и параметры резонатора диэлектрического образца устанавливаемого в определенном месте резонатора. При малых размерах образца определяется его влияние непосредственно на параметры резонатора (резонансную часть и добротность) в предположении, что поле резонатора не деформируется (метод малых возмущений). В этом случае, как правило, применяются неперестраиваемые резонаторы. Если же объем вносимого образца соизмерим с объемом полости резонатора, то девиация добротности резонатора и его резонансной частоты оказываются значительными, и тогда резонатор следует выполнить перестраиваемым. Измеряемые параметры резонатора являются исходными для расчета параметров материала.

Существенное влияние на точность определения параметров материала оказывает начальная погрешность формы и погрешность определения геометрических размеров резонатора. Если эта погрешность не превышает ± 0,01 мм, то в сантиметровом диапазоне волн при измерениях в нормальных условиях погрешность определения состовляет ± 0,3 - 1% и ±3 - 5% погрешность . Это несколько хуже, чем при волноводных методах измерения. Точность измерения и при повышенных температурах значительно снижается.

Принципиально измерения и при повышенных температурах не отличается от измерений при нормальной температуре. Существует лишь разница в конструкции измерительных резонаторов и составе аппаратуры. Для температурной стабилизации размеров резонаторы, как и волноводы, изготавливаются из материалов с малым коэффициентом линейного теплового расширения: специальных сплавов, кварца и некоторых сортов керамики. Неметаллические резонаторы с металлизированной рабочей поверхностью позволяют произвести измерения при температуре до 700-800 К.

Максимальная температура, достигнутая при измерениях резонаторным методам, так же как и для волноводных методов. Равна примерно 1800 К [1].

Для изучения температурных и в большинстве случаев применяются цилиндрические резонаторы с колебаниями типа Н01р и Н11р. У таких резонаторов существуют сечения, где в стенках отсутствуют токи осевого направления, что дает возможность перестраивать резонатор с помощью бесконтактных плунжеров, а также расчленять резонатор на части поперечными термоизоляционными прокладками и подвергать высокотемпературному нагреву только часть резонатора, заключающую исследуемый образец.

Большое значения для точности измерений, так же как и при волноводном методе, имеет равномерность скорости нагрева образцов. С этой целью нагреватели конструируются так, чтобы они по возможности окружали образец. Более удобными являются конструкции в которых тепло передается образцу не только через торцевую, но и через боковые стенки резонатора.

Нагрев диэлектрических образцов в резонаторе может быть осуществлен с помощью энергии электромагнитного поля, при этом резонатор оказывается в более легких температурных условиях. Существенными недостатками такого способа нагрева является необходимость применения СВЧ генератора большой мощности и диэлектрических образцов со средними и большими потерями. Кроме того, неоднородность макроструктуры образца и структуры электромагнитного поля в резонаторе является причинами неравномерного прогрева образца по всему объему.

Предельная температура, достигнутая при резонаторном методе измерений, совпадает с температурой, достигнутой при волноводных методах. На рисунке 2.2 представлен график на котором показаны предельно высокие температуры, достигнутые при измерении и диэлектриков волноводным и резонаторным методом в сантиметровом и миллиметровом диапазоне радиоволн. Температурная граница определяется нагревостойкостью самой измерительной аппаратуры и сейчас вряд ли может быть преодолена известными техническими приемами.

Рисунок 2.2- Диаграмма освоения различных диапазонов волн для измерения параметров диэлектриков при высоких температурах

Характерной чертой рассмотренных методов является то, что исследуемый образец размещается в замкнутом объеме и имеет непосредственный тепловой контакт с отдельными узлами измерительной аппаратуры. Это ставит предел дальнейшему повышению температуры. Отсюда может быть сделан вывод, что исследование диэлектрических свойств материалов при сверхвысоких температурах (превышающих 1800 К) может быть осуществлено только с применением «бесконтактных» методов измерения, при которых исследуемый объект не имеет непосредственного теплового контакта с узлами измерительной аппаратуры.

Рассматривая с этой позиции резонаторные методы, можно предположить, что для измерений при высоких и сверхвысоких температурах может оказаться перспективным резонаторный метод малых возмущений, если измерения проводить на малом образце во время его свободного падения через замкнутый объем резонатора [1]. При методе малых возмущений и диэлектрика могут определены по изменению резонансной частоты и добротности неперестраиваемого резонатора. Информацию об этих изменениях можно получить автоматически за малые промежутки времени, например, синхронным фотографированием изображения резонансной кривой с экрана осциллографа во время падения нагретого образца в резонаторе. Достоверный результат может быть достигнут, если электрическое поле резонатора будет однородно по направлению падения образца. Необходимой однородностью поля обладают цилиндрические резонаторы с колебаниями типа Е и прямоугольные резонаторы с колебаниями типа Н (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3-Иллюстрация к измерениям в резонаторе параметров свободно падающих образцов методом малых возмущений

Данный способ измерения е и tgд при повышенных температурах обладает достоинствами:

- почти полностью отсутствует тепловое воздействие образца на резонатор;

- температура резонатора остается за все время измерений практически постоянной, в следствии чего отсутствуют ошибки измерения, связанные с тепловым изменением добротности резонансной частоты резонатора;

- между нагревом образца вне резонатора и измерениями во время его падения проходит незначительное время, за которое температура образца почти не меняется;

- малое время между измерениями параметров пустого резонатора и резонатора с образцом позволяет применять генераторы СВЧ без специальной стабилизации по частоте и мощности;

- поскольку при внесении образца не нужно открывать резонатор, то его свойства остаются практически неизменными во время одного измерения и при переходе от образца к образцу;

- для эксперимента нужны образцы малых размеров, форма которых легко выполнима, что немаловажно в практике измерений.

Следует подчеркнуть, что все волноводные и резонаторные методы, кроме ограничений, определяемых предельными температурами, не позволяют производить измерения при динамическом разогреве диэлектрика, а также при изменении его состояния (например, при обгорании). Волноводные и резонаторные методы пригодны только для статического исследования температурных зависимостей (Т) и (Т).

2.3 Оптические методы

В настоящее время проблема измерения и диэлектриков в миллиметровом диапазоне волн решается в основном с помощью оптических методов, в частности применением интерферометров и открытых резонаторов [1]. Открытые оптические резонаторы имеют ряд характерных особенностей, в частности:

- геометрические размеры оптических систем могут быть значительно больше длины волны, что необходимо для проектирования и изготовления аппаратуры миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов;

- к поперечным размерам оптических систем и исследуемых диэлектрических образцов не предъявляется каких-либо требований по точности выполнения; они должны быть просто больше поперечных размеров волновых пучков;

- благодаря одномерности открытых резонаторов существенно разрежается спектр их собственных частот и увеличивается добротность, что позволяет применять их в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах;

- наконец, оптические системы - это открытые системы, не ограниченные со всех сторон какими-либо стенками. С точки зрения исследований диэлектриков при высокотемпературном нагреве это весьма существенно, так как облегчает совмещение образца с высокотемпературными средами, при размещении образца в свободном пространстве (вне механического контакта с измерительной аппаратурой) представляется возможность исследовать диэлектрические материалы при очень высоких температурах. Последнее обстоятельство позволяет считать оптические методы весьма перспективными для высокотемпературных исследований диэлектриков.

Названные достоинства ставят задачу расширения границ применения оптических методов и в области более длинных волн, т.е. в сантиметровый диапазон. Рассмотрим возможность решения такой задачи.

Добротность открытого резонатора равна

Q,

где - коэффициент дифракционных потерь; - коэффициент потерь в зеркалах; 2l - расстояние между зеркалами; в - фазовая постоянная заполняющей среды.

Дифракционные потери являются убывающей функцией параметра N [1].

N=a2/2л0l,

где а - половина раскрыва зеркала.

У резонатор оптического диапазона бД<<бЗ и добротность в основном определяются отражательной способностью зеркала. Однако с увеличением длины волны параметр N уменьшается, а дифракционные потери растут, что вызывает необходимость увеличить размеры зеркала. В миллиметровом диапазоне волн эти размеры конструктивно вполне приемлемы, но в сантиметровом диапазоне конструкция становится весьма громоздкой. Уменьшение дифракционных потерь, а следовательно, и поперечных размеров резонаторов может быть достигнуто применением не плоских отражающих зеркал (например, цилиндрических, параболических, сферических). Их особенностью является фокусирующая способность, в результате чего энергия поля резонатора сосредоточена в малых областях, ограниченных так называемыми каустическими поверхностями. Доказано, что наибольшая добротностью и фокусирующей способностью обладают «конфокальные» резонаторы со сферическими зеркалами [1]. У конфокальной системы центр сферы одного зеркала лежит на сфере другого, расстояние между зеркалами (2l) равно радиусу кривизны зеркала (r0), а фокусы совпадают. Максимум добротности конфокального резонатора достигается при основном типе колебаний Т00n, который характеризуется концентрацией поля у оси резонатора и его убыванием к периферии. Причем в сечении z на расстоянии R от оси резонатора поле ослабляется в e раз

,

где B=z/l. Минимальное значение радиуса R соответствует фокальной плоскости резонатора (z=0) и равно

.

Видно, что с уменьшением расстояния между зеркалами, а следовательно и радиуса кривизны зеркала (r0=2l), радиус фокального пятна также уменьшится. Отмеченные свойства конфокальных резонаторов позволяют использовать их для измерения параметров диэлектрических материалов в диапазоне сантиметровых волн. В тоже время, как фокусирующие системы обеспечивают сильное взаимодействие между веществом и полем, объем исследуемых образцов может быть мал, что важно при их высокотемпературном нагреве.

Для исследование диэлектриков единственно приемлем оказывается метод малых возмущений поля резонатора. Этот метод дает возможность калибровать резонатор по изменению его резонансной частоты и добротности с помощью эталонных диэлектрических образцов, свойства которых ( и ) известны.

Проведенные эксперименты показали перспективность измерения параметров диэлектриков при высоких температурах в открытых резонаторах. Результаты испытаний, проведенных в 3-см диапазоне на холодных образцах, показали, что погрешность определения е материалов составляет примерно 10-15% и может быть существенно уменьшена при конструктивном усовершенствовании лабораторных установок.

Измерения в открытых резонаторах могут проводиться бесконтактным методом, и это является главным факторам, дающим возможность проводить исследования параметров диэлектриков при очень высоких температурах. Однако применение открытых резонаторов ограничено.

Как показали исследования, несмотря на перечисленные недостатки, открытые резонаторы могут быть применены для измерения параметров веществ при высоких температурах в сантиметровом диапазоне, однако наиболее полное использование свойств открытых резонаторов возможно только на более коротких волнах [1].

2.4 Технические возможности контактных и бесконтактных методов измерения

Максимальная температура, до которой возможно нагреть исследуемый диэлектрический объект при измерении его электрических свойств или радиотехнических характеристик, определяется несколькими факторами, в частности: нагревостойкостью или стойкостью к тепловому удару самого объекта исследования; возможностью применения той или иной нагревательной аппаратуры и способа нагрева при выбранном методе измерений (волноводный, резонаторный, оптический метод и т. д.) и конструкции радиотехнической аппаратуры; способностью применяемой радиотехнической аппаратуры работать в непосредственной близости от нагревателя и нагретого до высокой температуры исследуемого объекта; взаимным расположением нагревателя, исследуемого объекта и измерительной аппаратуры.

Плавление диэлектрического материала, его возгонка, химические процессы, происходящие при взаимодействии с окружающей средой (например, обгорание), - это те факторы, которые определяют предельно достижимые при исследованиях температуры. Немаловажную роль играет форма исследуемого диэлектрического объекта, его размеры, конструкция, микро- и макроструктура диэлектрического материала, в зависимости от которых находится возможность наиболее быстро и в то же время равномерно прогреть исследуемый объект. Учет перечисленных факторов уменьшает вероятность растрескивания, расслоения, химических преобразований диэлектрического материала еще до достижения максимальной температуры, заданной требованиями проводимого эксперимента.

Способность измерительной СВЧ аппаратуры работать в непосредственной близости или непосредственно в зоне высокотемпературного нагрева зависит прежде всего от материалов, применяемых для изготовления таких узлов, как резонаторы, волноводы, рефлекторы и др. Оценим величину предельно достижимой температуры с точки зрения обеспечения работоспособности измерительной аппаратуры.

В таблице 2.1 приведены характеристики некоторых металлов и сплавов, которые могут быть использованы в качестве основных при конструировании измерительной СВЧ аппаратуры, предназначенной для исследования диэлектриков при высоких температурах [1]. Высокая нагревостойкость таких материалов должна сочетаться с малым удельным электрическим сопротивлением и малым линейным тепловым расширением. Стойкость к окислению, в результате которого обычно увеличивается поверхностное электрическое сопротивление материала, также играет немаловажную роль при выборе материала конструкции.

Таблица2.1-Характеристики некоторых материалов и сплавов

Как видно, наиболее стойкими на воздухе оказываются никелевые сплавы, специальные легированные стали и платина. В защитной среде нагревостойкость материалов повышается, и у танталовых сплавов она выше 3000 К. Однако работа с газовой защитной средой крайне усложняет проведение экспериментов. Поэтому максимальной рабочей температурой отдельных деталей и узлов измерительной аппаратуры, видимо, следует считать 1900 К. Эта цифра совпадает с нагревостойкостью платины, находящейся в атмосфере воздуха и оказалась предельной при измерении и диэлектриков резонаторным и волноводным методом.

Степень нагрева деталей и узлов измерительной аппаратуры, в первую очередь, зависит от их размещения относительно исследуемого объекта и нагревателя. В связи с этим все методы измерений можно условно разделить на контактные и бесконтактные. В первом случае температура исследуемого диэлектрического объекта примерно равна температуре соприкасающихся с ним конструктивных деталей СВЧ измерителя, во втором - непосредственный тепловой контакт с измерительной аппаратурой отсутствует, и измерения проводятся в свободном пространстве.

Бесконтактный метод измерений более перспективен, так как здесь предельно достижимая температура исследуемого диэлектрического объекта зависит только от его нагревостойкости. Так как исключена тепловая инерция деталей аппаратуры, то время нагрева объекта может быть минимальным. Образец или изделие, расположенные в свободном пространстве, могут быть исследованы как при равномерном прогреве по всему объему, так и при одностороннем тепловом ударе.

2.5 Критерии применимости известных методов и аппаратуры

Разносторонняя оценка методов измерения параметров диэлектриков позволяет дать критерии применимости этих методов.

Под основными критериями будем понимать следующие: достижимую температуру диэлектрического образца при его равномерном прогреве; достижимую температуру поверхности образца при тепловом ударе; время прогрева образца до заданной температуры; диапазон волн; возможность применения метода при статических и динамических исследованиях; измеряемые параметры; радиотехнические характеристики и их исходные величины; точность измерения параметров и характеристик; возможность воспроизведения во время измерений эксплуатационного режима; величина и форма исследуемого диэлектрического образца.

Предельна высокая, достижимая при исследованиях температура образца во многом зависит от применяемого метода измерения. Важнейшее достоинство бесконтактных методов заключается в том, что они могут применяться как при нормальных, так и при самых высоких температурах, определяемых нагревостойкостью исследуемого диэлектрического материала. Предел применения контактных методов устанавливается нагревостойкостью современных конструкционных проводящих материалов, из которых изготавливаются узлы измерительной СВЧ аппаратуры.

В области более высоких температур применимы только бесконтактные методы. Таким образом, зная требуемую верхнюю границу температур, можно сделать четкий выбор между контактными и бесконтактными методами измерения.

С точки зрения возможности нагрева поверхности образца до максимальной температуры, создания теплового удара, воспроизведения эксплуатационного теплового режима бесконтактные методы измерения (в частности, метод свободного пространства) предоставляют также широкие возможности. Тепловая инерционность бесконтактной аппаратуры значительно меньше инерционности аппаратуры, находящейся в тепловом контакте с исследуемыми образцами, так как при необходимости изменения температуры образца приходится менять соответственно температуру узлов аппаратуры. Поэтому бесконтактные методы оказываются, как правило, более приемлемыми и для динамических измерений, особенно при значительных скоростях изменения температуры и характеристик диэлектриков. На рисунке 2.4 нанесены границы и области применения различных методов измерения в зависимости от температуры и длины волны [1]. Заштрихованная область abcde соответствует контактным методам измерения (волноводным, резонаторным). Здесь верхняя температурная граница соответствует примерно 1900 К, наиболее короткими являются 8-мм волны, наиболее длинными - 10-см. Область, находящаяся между вертикальными прямыми 1 и 2, соответствует оптическим методам. Эта область занимает весь миллиметровый диапазон и коротковолновую часть сантиметрового диапазона. Область, находящаяся между прямой 1 и кривой 3, показывает возможности метода «свободного пространства». По своей сути это бесконтактный метод. Однако, как видно, при длинах волн, больших 4-5 см, линия 3 проходит ниже температурного уровня (1900 К). Это объясняется тем, что для измерений в длинноволновой части сантиметрового диапазона требуются диэлектрические образцы значительных размеров и для их разогрева до очень высоких температур необходимы большие мощности, сложная и громоздкая нагревательная аппаратура. И только на более коротких волнах возможности метода свободного пространства как бесконтактного метода могут быть полностью использованы.

Рисунок 2.4-Области применимости различных методов высокотемпературных исследований свойств диэлектриков на СВЧ: 1 - освоенная; 2 - осваиваемая; 3 - неосвоенная

Область между прямыми 2 и 4 соответствует методу малых возмущений при измерениях волноводным и резонаторным методами. На волнах короче 3 см эти методы практически не применимы из-за малости геометрических размеров исследуемых образцов. Однако в остальной части сантиметрового диапазона при температурах, превышающих 1900 К, они являются чуть ли не единственно возможными.

2.6 Обоснование выбранного метода

На основании приведенных выше данных можно сделать вывод о том, что наиболее оптимальным методом для исследования является волноводный метод короткого замыкания.

Измерение волноводным методом позволяют определить при нормальной температуре с погрешностью до 0,2-0,5%, с погрешностью до 1-3%, с повышением температуры погрешность увеличивается при температурах выше 1300 К составляет для , 10-25% для . При измерении резонаторными методами точность определения параметров материала при повышенных температурах значительно снижается.

Применение оптических методов (открытых резонаторов) ограничено размерами образцов и ограниченной мощностью нагревательных установок лабораторного типа.

При необходимости получение зависимостей и tg твёрдых диэлектрических материалов от температуры, предпочтение отдаётся волноводным методам, обеспечивающим наибольшую оперативность измерений и их высокую точность .

Зная требуемую верхнюю границу температур можно сделать четкий выбор метода, т.е. для заданной температуры 1500 К волноводный метод является оптимальным. Так как позволяет точно измерить параметры диэлектрика, используя более простую конструкцию измерительной установки.

Среди волноводных методов при исследовании нагревостойких материалов метод короткого замыкания имеет определенные преимущества, которые позволяют выбрать его для исследования. Диэлектрический образец, расположенный у торца короткозамкнутой волноводной секции, прогревается скорее и равномернее. Кроме того, появляется возможность контроля температуры не только на боковых гранях, но и на торце образца. Отсутствие за образцом протяженного четвертьволнового участка волновода, меняющего свои размеры при высокотемпературном нагреве, уменьшает ошибку измерений. Наконец, размещение образца вплотную к короткозамыкателю, позволяет изготовить измерительную волноводную секцию без съемного короткозамыкателя, т.е. без стяжных контактных соединений, которые в условиях высоких температур могут иметь значительные и меняющиеся во времени переходные сопротивления и потери на СВЧ. Метод к.з. позволяет фиксировать положение образца у торца волновода. Это может быть достигнуто наклонным или вертикальным расположением измерительной секции, таким, чтобы образец скользил по волноводу и все время опирался на его торец.

3. Разработка функциональной и принципиальной схемы измерительной установки

3.1 Общие требования к установке

Рассмотрение волноводных методов измерения и и измерительных установок, основанных на этих методах, позволяет обобщить особенности и сформулировать некоторые общие требования к конструкции волноводного СВЧ измерителя параметров диэлектриков.

Волноводные секции, в которые заключаются исследуемые образцы, должны изготавливаться из достаточно нагревостойких и стойких к окислению материалов, обладающих малым температурным коэффициентом линейного расширения и малым поверхностным сопротивлением во всем интервале температур. Для предохранения от окисления волноводных элементов и образцов при длительном воздействие высоких температур должны приниматься меры защиты, например, объем волноводной измерительной секции может быть заполнен инертным газом. Для предотвращения нагрева узлов аппаратуры, в частности измерительной линии, целесообразно нагреваемую волноводную секцию отделять от волноводного тракта охлажденными отрезками волновода. Конвекционный перенос тепла внутрь волноводных элементов можно устранить, установив нагревостойкие и радиопрозрачные пленочные диэлектрические перегородки толщиной 1-2 мм, выполненные из керамики (Al2O3) . Для уменьшения собственных потерь волноводного тракта необходимо, чтобы места соединений отдельных отрезков волновода совпадали с минимумами тока стоячей волны, а длина нагреваемых волноводных элементов была бы минимальной. При нагреве образца и проведении измерений его положения в волноводной секции должно быть фиксированным.

Рисунок 3.1-Функциональная схема измерительной установки

Функциональная схема установки приведена на рисунке 3.1. В состав установки, входят: генератор СВЧ, вентиль, измерительная линия, измерительный усилитель, являются покупными готовыми приборами. Измерительный (нагреваемый) волновод, охлаждаемый волновод и поляризационный аттенюатор, специально разработаны для настоящей установки.

3.2 Перечень приборов, входящих в состав установки

3.2.1 Генератор СВЧ

Генератор СВЧ - генератор сигналов высокочастотный Г4-109. Генератор имеет следующие основные технические характеристики:

диапазон частот 8,51…12,16 ГГц;

калиброванный уровень выходной мощности генератора регулируется в пределах от 110-3 до 110-14 Вт;

нестабильность частоты не более 10-4 ;

нестабильность уровня мощности не более 0,02;

выход волноводный (прямоугольный волновод сечением 23х10 мм).

3.2.2 Расчет и выбор аттенюатора

Аттенюаторами СВЧ называются устройства, предназначенные для уменьшения мощности сигналов, распространяющихся по СВЧ тракту, в заданное число раз или для изменения ее в заданных пределах. Основной причиной уменьшения мощности на выходе аттенюатора по сравнению с ее уровнем на входе является поглощение части мощности, тем или иным способом отделенной от основного потока, в элементах конструкции аттенюатора, выполненных из материала с большим коэффициентом поглощения. Кроме того, некоторое уменьшение мощности может происходить из-за отражения ее от входа аттенюатора, и из-за влияния аттенюатора на режим работы неразвязанного и несогласованного с трактом генератора СВЧ. Это дополнительное уменьшение мощности является нежелательным, поэтому при конструировании аттенюатора принимаются специальные меры, для того чтобы максимально уменьшить его входной коэффициент отражения.

Для количественной характеристики ослабления сигнала, вызванного введением аттенюатора в СВЧ тракт, используются следующие параметры: собственное ослабление аттенюатора (Ас), полное ослабление аттенюатора (Ап) и вносимое ослабление аттенюатора (Авн).

Основным параметром является собственное ослабление аттенюатора Ас, которое характеризует уменьшение мощности, вызванное только поглощением (рассеиванием, тепловыми потерями) в аттенюаторе. Собственное ослабление определяется как

(3.1)

где Р1пад, Р1отр, Р2пад -- мощности падающей и отраженной волн на входе аттенюатора и мощность падающей волны на выходе аттенюатора при условии, что на выходе нет отраженной волны.

Полное ослабление аттенюатора Ап характеризует уменьшение мощности, вызванное и поглощением в аттенюаторе и отражением от его входа. При условии, что на выходе аттенюатора нет отраженной волны, оно определяется как

(3.2)

Если известен Кс в входа аттенюатора, то связь между полным и собственным ослаблениями аттенюатора определяется следующим выражением:

(3.3)

Очевидно, что если аттенюатор идеально согласован, то его полное ослабление равно собственному ослаблению. Параметры Ас и Ап являются характеристиками собственно аттенюатора и не зависят от свойств тракта, в который включается аттенюатор.

Вносимое ослабление аттенюатора Авн характеризует уменьшение мощности, вызванное поглощением в аттенюаторе, отражением от входа аттенюатора и влиянием аттенюатора на режим работы неразвязанного и несогласованного с трактом генератора СВЧ. Вносимое ослабление аттенюатора определяется как

(3.4)

где Р'2пад -- мощность падающей волны на выходе тракта при отсутствии аттенюатора; Р2пад -- мощность падающей волны на выходе тракта при наличии аттенюатора.

В отличие от собственного и полного ослаблений, вносимое ослабление аттенюатора зависит от степени согласования элементов СВЧ тракта и изменяется при включении аттенюатора в различные тракты.

Можно дать несколько иные определения параметров Ас, Ап и Авн, более точно оговаривающие условия, при которых эти параметры могут быть измерены:

собственное ослабление аттенюатора характеризует уменьшение мощности, передаваемой от согласованного и развязанного генератора в согласованную нагрузку, при включении в тракт согласованного аттенюатора;

полное ослабление аттенюатора характеризует уменьшение мощности, передаваемой от согласованного и развязанного генератора в согласованную нагрузку, при включении в тракт несогласованного аттенюатора;

вносимое ослабление аттенюатора характеризует уменьшение мощности, передаваемой от несогласованного и неразвязанного генератора в любую нагрузку, при включении в тракт аттенюатора.

Важными электрическими, конструктивными и эксплуатационными параметрами аттенюаторов являются также: номинальное значение ослабления и погрешность по ослаблению (для фиксированных аттенюаторов), начальное ослабление, диапазон изменения ослабления и погрешность по разностному ослаблению (для переменных аттенюаторов), диапазон частот, вид входного и выходного тракта, допустимая средняя мощность на входе и среднее время безотказной работы [4]. Дадим определение некоторых из них. Номинальным значением ослабления фиксированного аттенюатора называется собственное ослабление, обозначенное на его корпусе. Погрешностью по ослаблению фиксированного аттенюатора называется разность между истинным и номинальным значениями собственного ослабления аттенюатора. Эта погрешность определяется либо непосредственно в децибелах, либо в долях от номинального значения ослабления. Начальным ослаблением переменного аттенюатора (А0) называется собственное ослабление аттенюатора при нулевом положении регулирующего органа. Разностным ослаблением переменного аттенюатора называется разность собственных ослаблений, соответствующая двум различным положениям регулирующего органа; чаще всего за начальное положение принимается такое, при котором ослабление минимально. Погрешность по разностному ослаблению определяется либо непосредственно в децибелах, либо в долях разностного ослабления, либо в виде суммы постоянного и переменного слагаемых. Рабочим диапазоном частот аттенюатора называется диапазон частот, в пределах которого все прочие параметры аттенюатора не выходят за допустимые пределы, указанные в технических условиях на него.