Устройство для измерения электрических характеристик диэлектриков при высоких температурах

Выбор типа аттенюатора

Как и любые другие радиотехнические устройства, аттенюаторы могут быть классифицированы по различным признакам. По способу внесения ослабления они подразделяются на:

-фиксированные, ослабление которых имеет заданное значение в рабочем диапазоне частот;

-ступенчатые, ослабление которых изменяется ступенями (дискретно) на заданное значение;

-плавные (переменные), ослабление которых изменяется плавно (непрерывно) в заданных пределах.

По внешним присоединительным элементам входного (выходного) тракта СВЧ аттенюаторы подразделяются на волноводные и коаксиальные.

Также аттенюаторы классифицируются по принципу действия. Из многочисленных физических принципов, которые могут быть положены в основу конструирования СВЧ аттенюаторов, используются те, которые позволяют получить аттенюатор с точно известным значением ослабления или с точно известным законом изменения ослабления в функции положения регулирующего органа [4]. Основными типами аттенюаторов являются:

-предельные, в которых уменьшение мощности происходит вследствие ослабления ее при передаче по запредельному волноводу и полном поглощении мощности, отраженной от элемента связи, размещенного в этом волноводе;

-поляризационные, в которых уменьшение мощности, переносимой волной Н11 в круглом волноводе, происходит вследствие полного поглощения части мощности, связанной с составляющей вектора напряженности электрического поля, параллельной поглощающей пластине, размещенной вдоль оси симметрии волновода;

-аттенюаторы на делителях мощности, в которых уменьшение мощности происходит вследствие полного поглощения ее части, отделенной от основного потока с помощью делителя мощности, представляющего собой пассивный многополюсник;

-полупроводниковые электрически управляемые аттенюаторы, в которых уменьшение мощности происходит в результате рассеивания (поглощения) ее части в активном сопротивлении полупроводникового СВЧ диода.

В нашем случае наиболее оптимальным по поглощающим характеристикам и по конструктивным особенностям устройства ,является поляризационный аттенюатор.

Расчет параметров поляризационного аттенюатора

Конструкция поляризационного аттенюатора изображена на рисунке 3.2 Основными элементами аттенюатора являются две неподвижные секции- статоры, жестко закрепленные на корпусе аттенюатора, и одна подвижная - ротор. Статоры представляют собой плавные переходы от стандартного прямоугольного к круглому волноводу. Внутри каждого статора закреплена поглощающая пластина, расположенная в плоскости симметрии статора, параллельной широкой стенке прямоугольного волновода. Ротор представляет собой отрезок круглого волновода, в котором закреплена поглощающая пластина, расположенная в продольной плоскости симметрии волновода. Соединение ротора со статорами осуществляется с помощью подвижных дроссельно-фланцевых соединений, позволяющих ротору поворачиваться вокруг продольной оси. Вращение ротора осуществляется с помощью червячной передачи, червячное колесо которой закреплено на наружной части ротора. Червячная передача тем или иным способом кинематически связана с механизмом отсчета угла поворота ротора.



Рисунок 3.2-Конструкция поляризационного аттенюатора

Начальное ослабление поляризационных аттенюаторов не может быть сделано меньше нескольких десятых долей децибела. Причинами этого являются потери во входных фланцах и стыках между секциями, конечная толщина поглощающих пластин и отражение от стыков секций. В выпускаемых промышленностью аттенюаторах величина Ас изменяется в пределах от 0,5 дБ на частотах 1...2 ГГц до 1 дБ на частотах 30...40 ГГц.

Максимальное ослабление поляризационных аттенюаторов имеет конечную величину вследствие конечной поглощающей способности пластин и эллиптичности круглого волновода. У выпускаемых промышленностью рабочих поляризационных аттенюаторов максимальное ослабление равно 70. . .75 дБ, у прецизионных рабочих 90. . .95 дБ, а у прецизионных образцовых - 110. . .120 дБ. В связи с тем, что в области ослаблений, близких к максимальному, закон распределения характеристик ослабления не соблюдается (рисунок 3.3), верхний предел динамического диапазона ослаблений поляризационных аттенюаторов выбирается равным 0,75.. .0,85 от максимального ослабления, что соответствует и=870. . .89,70

.

Рисунок 3.3- Характеристики ослабления реальных конструкций поляризационных аттенюаторов в области больших ослаблений:

1 - идеальный аттенюатор; 2 - прецизионный рабочий аттенюатор; 3 - рабочий аттенюатор

Ксв входа и выхода поляризационных аттенюаторов не равен единице и несколько выше, чем у поглощающих, так как имеется много источников отражений - два фланца, два стыка между секциями, три поглощающих пластины (вместо одной поглощающей пластины и двух фланцев для обычного поглощающего аттенюатора). У выпускаемых промышленностью аттенюаторов Ксв изменяется в пределах от 1,15 до 1,2.

Электрическая длина поляризационных аттенюаторов незначительно изменяется при изменении ослабления от 0 до 10...15 дБ из-за конечной толщины и конечной поглощающей способности пластины и дальше остается практически постоянной. Это изменение не превышает одного градуса на частотах 1...2 ГГц и четырех градусов на частотах 30. . .40 ГГц.

При конструировании поляризационных аттенюаторов решаются следующие основные задачи: определение поперечных размеров ротора и статоров; выбор материала и размеров поглощающих пластин ротора и статоров; сопряжение ротора и статоров; выбор механизма перемещения ротора; выбор системы отсчета угла поворота ротора.

Исходными данными для расчета являются рабочий диапазон длин волн, динамический диапазон ослаблений, погрешность по разностному ослаблению, Ксв входа и выхода, габаритные размеры прибора и допустимая средняя мощность на входе аттенюатора.

Прямоугольным волноводом статора является стандартный волновод, размеры которого подбираются таким образом, чтобы в рабочем диапазоне частот в нем могла существовать только волна Н10. При выборе поперечных размеров прямоугольного волновода необходимо помнить, что для обеспечения приемлемой дисперсии и затухания волны в волноводе следует выдерживать соотношение Н10

л max?0,83л?крН10, (3.5)

где лmax - длина волны в свободном пространстве, соответствующая нижней частоте рабочего диапазона частот аттенюатора.

Тогда получаем лmax=38,18 мм.

Радиус круглых волноводов ротора и статоров r выбирается таким образом, чтобы критическая длина волны Н11 в круглом волноводе совпадала с критической длиной волны Н10 в прямоугольном волноводе:

лOкрН11=л?крН10. (3.6)

Так как лOкрН11=3,412r, а л?крН10=2a, где а - размер широкой стенки прямоугольного волновода, то отсюда вытекает следующее соотношение между размерами круглого и прямоугольного волноводов:

r=0,5865a=13,5 мм. (3.7)

Рабочий диапазон длин волн поляризационного аттенюатора однозначно определяется радиусом круглого волновода ротора. Он ограничен сверху критической длиной волны колебаний типа Н11(лOкрН11), а снизу [с учетом того, что круглый волновод возбуждается от прямоугольного с волной Н10] - критической длиной волны колебаний типа Н20 (л?крН10). Так как л?крН10=2,057r, то

2,057r<л<3,412r.(3.8)

При выполнении условия (3.8) в круглом волноводе ротора будет существовать только волна типа Н11. Как следует из условия (3.8), максимальное перекрытие по диапазону рабочих длин волн и рабочих частот поляризационного аттенюатора равно 1,66. Однако с учетом соображений относительно приемлемой дисперсии и затухания, которые справедливы для круглого волновода в такой же степени, как и для прямоугольного, имеем лOкрН20<л<0,83лOкрН11 или

2,057r<л<2,84r(3.9)

и перекрытие по диапазону составляет 1,38, т. е. несколько меньше рабочего диапазона частот стандартного прямоугольного волновода. Тогда получаем диапазон длин волн 27,77<л<46,06 [мм].

Длина поглощающих пластин ротора и статоров зависит от требуемой степени затухания электромагнитной волны, вектор Е которой параллелен пластине. Теоретически необходимо, чтобы это затухание было бесконечно большим. Практически требуемое затухание в пластине (L, дБ) можно определить, исходя из допустимой погрешности по разностному ослаблению, вызванной неполным поглощением компоненты электромагнитной волны, вектор Е которой параллелен пластине. Для получения нужного ослабления (20дБ), длина поглощающей пластины должна быть равной l0=10 см, а ее ширина составлять порядка 9.8 см(длина короткой стенки волновода 10 см.).

Толщина поглощающих пленок, предназначенных для работы в диапазоне СВЧ, должна быть гораздо меньше глубины проникновения электромагнитного поля в них и не должна превышать нескольких десятых долей микрона. В нашем случае пленку (толщина пленки 5 мк)[6] изготавливаем из хрома и наносим на подложку путем испарения в вакууме, а подложка выполняется из керамики (Al2O3). Хром обладает следующими параметрами: сопротивление квадрата поглощающей пленки R?=200 Ом, мощность Р0=2 Вт/см2 [6].

Количество энергии, рассеиваемое на различных участках пленки, будет неодинаковым. Наибольшее количество энергии будет рассеиваться на участке, ближайшем ко входу ротора, который как правило, имеет треугольную форму (рисунок 3.4). Допустимая средняя мощность на входе поляризационного аттенюатора определяется следующим соотношением:

Рдоп?0,5Роr/б. (3.10)



Рисунок 3.4- Согласующий скос поглощающих пластин

поляризационного аттенюатора

Для уменьшения отражений от торцов поглощающих пластин на их концах делаются согласующие скосы, которые обеспечивают плавное изменение волновых сопротивлений статоров и ротора на переходных участках (рисунок 3.5). Коэффициент отражения от скошенного участка поглощающей пластины представляет собой осциллирующую функцию размера скошенного участка и убывает с ростом отношения l'/л. Однако чрезмерное увеличение l' и уменьшение угла ц снижает механическую прочность поглощающей пластины. Коэффициент отражения от скошенного участка поглощающей пластины помимо отношения l'/л зависит от сопротивления квадрата поглощающей пленки R?, а также от диэлектрической проницаемости материала подложки е и толщины подложки t. Эффективность согласующих скосов поглощающих пластин зависит также от отношения длины волны в согласующем участке волновода (лв) к длине волны в свободном пространстве (л) и является наименьшей в низкочастотной части рабочего диапазона частот аттенюатора. Для уменьшения Ксв необходимо уменьшать отношение лв/л за счет увеличения диаметра волновода. Однако при этом в круглом волноводе может возникнуть волна Н20, что приведет к резкому увеличению погрешности аттенюатора. Удачным вариантом компромиссного решения является конструкция, изображенная на рисунке 3.5. Диаметр волноводов в области стыков, где находятся согласующие скосы поглощающих пластин, взят на 15...20% больше расчетного, что приводит к уменьшению лв и обеспечивает малый Ксв.

С учетом наличия согласующих скосов общая длина поглощающих пластин статоров (lc) и ротора (lp) должна быть увеличена по сравнению с lо. Если скосы линейные, то ослабление поля на длине l' (рисунок 3.5) будет в 2 раза меньше, чем для участка такой же длины с нескошенной пластиной. Следовательно, для сохранения требуемого затухания в пластине ее длина должна быть увеличена на 0,5l' для пластины статора, имеющей скос с одной стороны, и на величину l' для пластины ротора, имеющей скосы с двух сторон:

lc=lo+0,51'; lp=lo+l'. (3.11), (3.12)

В нашем случае делаем скосы поглощающих пластин 1.5 см. Следовательно lc=10.75см., lp=11.5см..

Рисунок 3.5- Конструкция поляризационного аттенюатора с улучшенным согласованием входа и выхода

Согласование входа и выхода поляризационных аттенюаторов зависит также от Ксв дроссельных соединений ротора со статорами. Эти соединения конструктивно должны быть объединены с подшипниками и выполняются в одной из двух модификаций - с использованием двух четвертьволновых отрезков коаксиальных линий (рисунок 3.6а) либо с использованием четвертьволновой радиальной линии, нагруженной на короткозамкнутую четвертьволновую коаксиальную линию (рисунок 3.6б). В рассчитываемом аттенюаторе мы будем использовать четвертьволновую радиальную линию, так как длину волны в этой линии можно принять равной длине волны в свободном пространстве. И для обеспечения равномерного согласования в рабочей полосе частот поляризационного аттенюатора необходимо выдерживать соотношения

Z02/Z01 <0,5; Z02 ? (0,1 ... 0,3)Zo,(3.13), (3.14)

где Z01, Z02, Zo - волновые сопротивления короткозамкнутой линии дроссельного соединения, разомкнутой четвертьволновой линии дроссельного соединения и круглого волновода соответственно.

Рисунок 3.6-Варианты конструкции дроссельных соединений поляризационных аттенюаторов: а) с использованием двух четвертьволновых отрезков коаксиальных линий ;б) нагруженной на короткозамкнутую четвертьволновую коаксиальную линию

Статоры поляризационного аттенюатора осуществляют трансформацию волны H10 прямоугольного волновода в волну Нll круглого волновода и обратно и представляют собой переходы с плавным изменением размеров и формы (рисунок 3.7). Выбор поперечных размеров прямоугольного и круглого волноводов были изложены выше. Длина статора определяется длиной его поглощающей пластины (выражение (3.10)).

.

Рисунок 3.7-Конфигурация статоров поляризационного аттенюатора, предназначенного для работы в трактах с прямоугольными волноводами, и распределение поля в различных сечениях статоров

Конструкция рассчитанного поляризационного аттенюатора представлена на сборочном чертеже в приложении к дипломному проекту на листе 5.

3.2.3 Вентиль

Вентиль ферритовый. Электромагнитный вентиль марки ФВ2-21. Вентиль выполнен на стандартном прямоугольном волноводе сечением 23х10 мм со стандартными волноводными фланцами. Вентиль является невзаимным СВЧ устройством, имеющим следующие параметры:

- диапазон частот 8,2 … 12,15 ГГц;

- КСВН со стороны входа и выхода не более 1,2;

-прямые потери 0,3 дБ;

- обратные потери 20 дБ.

3.2.4 Измерительная линия

Измерительная линия - линия измерительная волноводная Р1-28. Линия имеет следующие основные технические характеристики :

- диапазон частот 8,24…12,05 ГГц;

- КСВН со стороны входа и выхода измерительной линии не более 1,03;

- пределы перемещения зонда вдоль измерительной линии не менее

44 мм;

- погрешность индикации положения зонда (погрешность отсчетного устройства измерительной линии) 0,025 мм;

- сечение волновода 23х10 мм.

Остальные технические характеристики измерительной линии, ее устройство и принцип работы, указания по эксплуатации, характерные неисправности и способы их устранения, указания по поверке и правила хранения приведены в техническом описании и инструкции по эксплуатации прибора.

3.2.5 Измерительный усилитель

Измерительный усилитель - усилитель селективный У2-8. Измерительный усилитель имеет следующие основные технические характеристики:

-режимы усиления - широкополосный и селективный;

-диапазон частот усиливаемых напряжений в селективном режиме перекрывается следующими поддиапазонами от 20 до 200 Гц, от 200 до 2000 Гц, от 2 до 20 кГц, от 20 до 100 кГц;

-усилитель плавно перестраивается по частоте в пределах каждого поддиапазона.

Остальные технические характеристики измерительного усилителя, его устройство и принцип работы, указания по эксплуатации, характерные неисправности и способы их устранения, указания по поверке и правила хранения приведены в техническом описании и инструкции по эксплуатации прибора.

3.2.6 Охлаждаемый волновод

Охлаждаемый волновод - отрезок стандартного прямоугольного волновода сечением 23х10 мм со стандартными контактными фланцами, припаянными к его входу и выходу. Отрезок волновода заключен внутри латунной рубашки охлаждения, имеющей входные и выходные штуцеры. К штуцерам присоединяются резиновые шланги, по которым подается и удаляется охлаждающая жидкость. Охлаждающей жидкостью является вода, поступающая из водопроводной сети. Давление в сети обеспечивает циркуляцию воды в рубашке охлаждения, а сечения входных и выходных штуцеров подобраны таким образом, чтобы обеспечить необходимый тепловой режим. Расход воды от 40 до 150 литров в час.

3.2.7 Измерительный волновод

Измерительный (нагреваемый) волновод - отрезок стандартного прямоугольного сечения 23х10 мм со стандартным контактным фланцем, припаянным к его входу и закороченным выходом. Для обеспечения нагревостойкости и температурной стабильности электропроводности материала волновода при высоких температурах он выполнен из мобилена. Предпочтение данному материалу отдано исходя их его свойств, а также более низкой себестоимости по сравнению с платиной. На закороченном выходе волновода сделан съемный замыкатель, через который извлекается образец диэлектрика после проведения испытаний.

3.2.8 Нагреватель (лабораторная печь)

В лабораторной печи омического нагрева в качестве рабочих элементов используются карбид кремниевые нагреватели, симметрично расположенные вокруг трубчатого корундового кожуха, образующего рабочую зону печи. Трубчатый кожух, выполненный из термостойкого керамического материала, служит как для защиты рабочей зоны от контакта с нагревателями, так и для выравнивания температурного поля внутри рабочей зоны за счет перераспределения температуры по стенке трубы.

Материал, из которого изготовлен трубчатый кожух, обладает достаточной механической прочностью и стабильными диэлектрическими свойствами во всем рабочем диапазоне температур.

Нагреватели и трубчатый кожух с внешней стороны защищены керамической теплоизоляцией, заключенной в металлический корпус. Используемые в печи карбид кремниевые нагреватели позволяют достигать в рабочей зоне печи температуры до 2000 . Особенностью данного типа нагревателей является их низкое омическое сопротивление (от 2 Ом), поэтому для удобства эксплуатации они в электроцепи включены последовательно. Следствием этого является необходимость их комплексного подбора по электрическому сопротивлению. Оно должно быть примерно одинаковым для всех нагревателей, чтобы исключить несимметричность нагрева.

Диапазон изменения входного регулирующего сигнала О - 5 мА, чему соответствует изменение выходного напряжения в диапазоне 3-98 % от максимальной величины.

Рисунок 3.8-Принципиальная схема установки для измерения параметров диэлектриков методом короткого замыкания при высоких температурах:

1- СВЧ генератор; 2- поляризационный аттенюатор; 3- вентиль;4 - детектор; 5- измерительная линия; 6- измерительный усилитель; 7- секция с водяным охлаждением; 8-поворот в плоскости Е; 9- короткозамкнутая волноводная секция; 10- исследуемый образец; 11- нагреватель; 12- регулятор; 13- термокамера

Настоящая установка для измерения электрических характеристик диэлектриков позволяет осуществлять косвенные измерения и tg диэлектрических материалов при различных температурах. Измерения проводятся в два этапа. На первом этапе к выходу измерительной линии присоединяется измерительный волновод без образца. Измерения выполняются при нормальной температуре волновода, равной + (20 10)С. Измеренные на этом этапе параметры являются первой частью исходных данных, необходимых для расчета и tg исследуемого материала с помощью специальной программы, входящей в состав программного обеспечения измерительной установки. На втором этапе к выходу измерительной линии присоединяется измерительный волновод с образцом. Измерения выполняются при достижении образцом требуемой температуры, которая обеспечивается аппаратурой нагрева, входящей в состав измерительной установки. Измеренные на этом этапе параметры являются второй частью исходных данных, необходимых для расчета и tg исследуемого материала с помощью вышеупомянутой программы. По результатам измерений, выполненных на первом и втором этапах, которые вводятся в качестве исходных данных в программное обеспечение установки, осуществляется автоматический расчет и tg исследуемого материала при температуре, соответствующей температуре нагрева образца.

4. Разработка методики измерения

4.1 Описание методики измерения

Объектом измерения является плоскопараллельный образец исследуемого материала, который размещается внутри короткозамкнутого отрезка прямоугольного волновода. Образец вплотную примыкает к металлической пластине, перекрывающей поперечное сечение волновода, и ко всем стенкам волновода (рисунок 4.1). Толщина образца (d) меньше, чем длина короткозамкнутого отрезка волновода (L). Измерения проводятся при возбуждении в волноводе собственной волны типа H10.

Рисунок 4.1-Образец диэлектрика в положении короткого замыкания

Непосредственно измеряемыми параметрами являются длина собственной волны типа Н10 в незаполненной диэлектриком части волновода (), коэффициент стоячей волны в волноводе r и расстояние от поверхности образца до первого минимума стоячей волны в незаполненной диэлектриком части волновода (xm) (рисунок 4.2). Измерив, r и xm и зная толщину образца и ширину волновода (a), можно рассчитать и tg материала, из которого выполнен образец [2].

Рисунок 4.2-Эпюры стоячей волны в волноводе

а) без образца, б) с образцом

Измерения, r и xm производятся с помощью волноводной измерительной линии (ИЛ) и выполняются в два этапа.

На первом этапе к выходу измерительной линии присоединяется закороченный отрезок волновода без образца и измеряются и положение одного из минимумов стоячей волны (х1). Длина волны в волноводе равна удвоенному расстоянию между соседними минимумами стоячей волны в измерительной линии. Для увеличения точности измерений положение каждого минимума определяется как

= (х3 + х4) - (х1 + х2), (4.1)

где - длина волны собственной волны типа H10 в прямоугольном волноводе, заполненном воздухом; х1, х2, х3, х4 - координаты точек положения зонда измерительной линии слева и справа от минимума напряжённости электрического поля.

Определение положения минимума стоячей волны х1 можно совместить с измерением , тогда

х1 = 0.5 ( х1 + х2 ). (4.2)

На втором этапе к выходу измерительной линии присоединяется закороченный отрезка волновода с образцом и измеряются r и величина х - смещение в сторону выхода измерительной линии положения минимума стоячей волны относительно его положения х1, определенного на первом этапе измерений. Измерение коэффициента стоячей волны осуществляется методом «удвоенного минимума»

, (4.3)

где r - коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН); h = |(x6-x5)| - ширина вилки на уровне «удвоенного минимума»; х5, х6 - координаты точек положения зонда измерительной линии слева и справа от минимума напряжённости электрического поля, в которых ток квадратичного детектора индикаторной головки измерительной линии превышает значение тока в минимуме (Imin) в два раза .

Измерение r можно совместить с определением смещения минимума стоячей волны х, тогда

х = 0.5(х5 + х6) - 0.5 (х1 + х2). (4.4)

По измеренным значениям и х и известной толщине образца рассчитывается величина xm

, (4.5)

где d - толщина плоскопараллельного образца исследуемого материала.

Параметры , r и xm входят в качестве известных величин в комплексное трансцендентное уравнение (4.6), (= 2 /).

, (4.6)

где - коэффициент затухания собственной волны типа H10 в волноводе, заполненном диэлектриком с потерями; - коэффициент фазы собственной волны типа H10 в волноводе, заполненном диэлектриком с потерями; - коэффициент фазы собственной волны типа H10 в волноводе, заполненном воздухом; - мнимая единица.

Решив уравнение (4.6) относительно неизвестных и , можно найти и рассчитать и tg по следующим формулам:

, (4.7)

где - длина волны плоской однородной волны, возбуждаемой на частоте f в вакууме; - длина волны собственной волны типа H10 в волноводе, заполненном диэлектриком с потерями.

, (4.8)

где - относительная диэлектрическая проницаемость.

Определение и с помощью уравнения (4.6) связано с двумя принципиальными трудностями - невозможностью аналитического решения этого уравнения и неоднозначностью решения, обусловленной периодичностью функций, входящих в это уравнение. Первая трудность преодолевается путём решения уравнения (4.6) методом последовательных приближений. Вторая трудность устраняется, если ориентировочно известны значения и tg исследуемого материала (хотя бы с погрешностью не превышающей + 50 % от истинного значения).

Для определения зависимостей параметров и tg от температуры закороченный отрезок волновода с образцом размещают в нагревательном устройстве и производят измерения r и xm при требуемых температурах образца.

4.2 Вывод трансцендентного уравнения и его вид при различных приближениях

При выводе уравнения (4.6) и некоторых вспомогательных расчётных соотношений будут использованы следующие формулы, известные из теории прямоугольного волновода, в котором распространяется только одна собственная волна типа H10 [2].

Волновод с идеально проводящими стенками, заполненный воздухом.

, (4.9)

где м/с - скорость света в вакууме; f - частота гармонических колебаний.

, (4.10)

где - коэффициент распространения собственной волны типа H10 в волноводе, заполненном диэлектриком без потерь; - круговая частота; Ф/м - электрическая постоянная; Гн/м - магнитная постоянная; 2a - критическая длина волны собственной волны типа H10 в прямоугольном волноводе.

. (4.11)

. (4.12)

, (4.13)

где - характеристическое сопротивление собственной волны типа H10 в волноводе, заполненном воздухом; Ом - характеристическое сопротивление плоской однородной волны, распространяющейся в вакууме.

Волновод с идеально проводящими стенками, заполненный диэлектриком без потерь.

, (4.14)

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

. (4.15)

, (4.16)

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

(4.17)

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

Волновод с идеально проводящими стенками, заполненный диэлектриком с потерями.

, (4.18)

- коэффициент распространения собственной волны типа H10 в волноводе, заполненном диэлектриком с потерями; - комплексная относительная диэлектрическая проницаемость.

. (4.19)

. (4.20)

. (4.21)

(4.22)

Если tg < 0,45, то, с погрешностью не превышающей одного процента, выражения (4.19), (4.20) и (4.21) могут быть записаны в следующем виде:

, (4.23)

. (4.24)

. (4.25)

Если tg < 0,1, то, с погрешностью не превышающей одного процента, выражение (4.24) и (4.25) могут быть представлены в следующим виде:

, (4.26)

. (4.27)

Таким образом, если tg < 0,1, то длину волны и коэффициент фазы собственной волны типа H10 в волноводе, заполненном диэлектриком с потерями, можно принять равными длине волныи коэффициенту фазы собственной волны типа H10 в волноводе, заполненном диэлектриком без потерь (с тем же значением ), а коэффициент затухания рассчитывать по формуле (4.23).

Вывод трансцендентного уравнения (4.6).

Уравнение (4.6) может быть получено различными способами. Наиболее простой из них базируется на двух известных из теории длинных линий формулах, применимых к волноводам, работающим на волне типа Н10.

Первая из них - формула для комплексного входного сопротивления закороченного отрезка волновода длиной d, полностью заполненного диэлектриком с потерями.

. (4.28)

Вторая - формула для расчета комплексного сопротивления нагрузки волновода, заполненного воздухом, которая позволяет определить это сопротивление, если известны коэффициента стоячей волны в волноводе и расстояние от плоскости присоединения нагрузки до первого минимума напряженности электрического поля в волноводе (xm).

. (4.29)

Приравняв правые части выражений (4.28) и (4.29), получим

. (4.30)

В свою очередь (см. выражения (4.13), (4.22), (4.18) и (4.10))

. (4.31)

Подставив (4.31) в (4.30), получим

. (4.32)

Умножив числитель и знаменатель правой части выражения (4.32) на d и поделив левую и правую части полученного выражения на , приходим к следующему выражению:

. (4.33)

Наконец, подставив из (4.18), приходим к выражению (4.6)

Вид трансцендентного уравнения (4.6) при различных приближениях.

Выделим вещественную и мнимую части правой части выражения (4.6) и обозначим их А и В соответственно

, (4.34)

. (4.35)

Введем следующие обозначения:

, (4.36)

. (4.37)

Тогда уравнение (4.6) можно записать в следующем виде:

. (4.38)

Уравнение (4.38) является трансцендентным уравнением с комплексным аргументом, в котором параметры А и В являются известными величинами, а параметры k и m - величинами, подлежащими определению.

Если найти вещественную и мнимую части функции , то трансцендентное уравнение (4.38) с комплексным аргументом можно представить в виде системы из двух трансцендентных уравнений с вещественными аргументами

Для малых значений tg систему уравнений (4.39) и (4.40) можно значительно упростить. Если tg << 1, то k << 1 (см. выражения (4.23) и (4.36)) и левые части уравнений (4.39) и (4.40) принимают следующий вид:

, (3.41)

, (4.42)

причем в этих выражениях

. (4.43)

Так как для малых значений tg величина коэффициента стоячей волны r значительно превышает единицу (r >> 1), то величины А и В, стоящие в правых частях уравнений (4.39) и (4.40), также могут быть представлены в упрощенном виде (см. выражения (4.34) и (4.35)).

Если выполняется условие r >> 1, то выражение (4.34) приобретает вид

. (4.44)

Если кроме условия r >> 1 выполняется условие r2 >> , то выражения (4.34) и (4.35) приобретают следующий вид:

, (4.45)

. (4.46)

Приравняв правые части выражений (4.41) и (4.45), а также (4.42) и (4.46), заменив k и m их значениями из (4.36) и (4.43) и проведя несложные математические преобразования, получим

Таким образам, если выполняются условия tg << 1 и r2 >> , то параметры и могут быть рассчитаны по измеренным значениям r и xm с помощью выражений (4.47) и (4.48). В этом случае параметры и tg рассчитываются по следующим формулам :

, (4.49)

. (4.50)

5. Методика измерения и инструкция по эксплуатации

5.1 Порядок выполнения первого этапа измерений

1. Собрать установку в соответствии со структурной схемой.

Очистить измерительный волновод от всех посторонних загрязнений и присоединить его без исследуемого образца к выходу охлаждаемого волновода, разместив между ними теплоизолирующую прокладку. Подать питание на генератор и измерительный усилитель и дать им прогреться в течение 30 минут.

2. Установить на генераторе требуемую рабочую частоту и режим модуляции от внутреннего модулятора меандра (согласно технического описания и инструкции по эксплуатации генератора).

Установить ручку управления встроенным выходным аттенюатором генератора, расположенную на его передней панели, в положение 0 дБ.

С помощью гаек наружного и внутреннего поршней зондовой головки измерительной линии настроить резонаторы зондовой головки в резонанс на установленной частоте генератора (по максимальным показаниям индикаторного прибора измерительной линии).

С помощью ручек настройки измерительного усилителя, расположенных в нижней левой части его передней панели, настроить усилитель в резонанс на частоте модуляции генератора (по максимальным показаниям индикаторного прибора этого усилителя ).

Перемещая зондовую головку вдоль измерительной линии, установить зонд в минимум стоячей волны, находящийся в средней части этой линии.

Регулируя глубину погружения зонда измерительной линии ( с помощью лимба глубины погружения зонда) и ослабление аттенюатора, добиться того, чтобы показание стрелочного прибора измерительного усилителя в минимуме стоячей волны находилось в пределах 35…45 делений его шкалы и запомнить полученные показания стрелочного прибора.

Перемещая зондовую головку измерительной линии влево и вправо относительно минимума стоячей волны, определить с помощью лимба механизма перемещения зондовой головки координаты точек положения зонда, в которых показания индикаторного прибора измерительного усилителя превышают его показание в минимуме стоячей волны ровно в два раза.

Переместить зонд измерительной линии 4 в соседний со стороны выхода этой линии минимум стоячей волны и зафиксировать показания индикаторного прибора измерительного усилителя в этом минимуме.

Перемещая зондовую головку измерительной линии влево и вправо относительно этого минимума, определить с помощью лимба механизма перемещения зондовой головки координаты точек положения зонда, в которых показания индикаторного прибора измерительного усилителя превышают его показание в минимуме стоячей волны ровно в два раза.

5.2 Порядок выполнения второго этапа измерений

Отсоединить измерительный волновод от выхода охлаждаемого волновода.

Вставить в измерительный волновод исследуемый образец и плотно прижать его к металлической пластине, перекрывающей поперечное сечение волновода.

Присоединить измерительный волновод с образцом к выходу охлаждаемого волновода, разместив между ними теплоизолирующую прокладку.

Присоединить выход измерителя температуры к входу блока управления нагревателем.

Поместить измерительный волновод с образцом в нагреватель.

Подать воду в рубашку охлаждения охлаждаемого волновода.

8. Подать питание на блок управления нагревателем тумблером “Сеть”.

9. Получение заданной температуры в рабочей зоне печи осуществляется кнопками « » подачей соответствующего регулирующего сигнала от блока управления нагревом, для которого опорным сигналом является термо ЭДС термоэлектрического преобразователя, чувствительный элемент которого находится в рабочей зоне печи.

Для увеличения срока службы нагревателей рекомендуется нагрев печи до температуры 500 °С осуществлять при токе на нагревателях не более 10 А

12. При достижении требуемой температуры образца остановить нагрев и начать измерения с помощью измерительной линии и измерительного усилителя.

13. Установить зонд измерительной линии в ближайший к точке х1 минимум стоячей волны, расположенный между этой точкой и выходом измерительной линии.

14. Регулируя глубину погружения зонда измерительной линии и ослабление аттенюатора, добиться того, чтобы показание стрелочного прибора измерительного усилителя в минимуме стоячей волны находилось в пределах 35…45 делений его шкалы и зафиксировать полученный результат.

15. Перемещая зонд измерительной линии влево и вправо относительно минимума стоячей волны, определить с помощью лимба механизма перемещения зондовой головки координаты точек положения зонда, в которых показания индикаторного прибора измерительного усилителя превышают его показание в минимуме стоячей волны ровно в два раза. 16. Продолжить нагрев образца до достижения следующего требуемого значения температуры.

5.3 Требования к эталонным образцам

Требования к форме и размерам образцов

Образцы должны иметь форму прямоугольного параллелепипеда размером 23х10хd мм, где 23мм - ширина образца, 10 мм - высота образца, d мм - толщина образца.

Образцы должен свободно, но с минимально возможными зазорами, вставляться в стандартный прямоугольный волновод, внутренние поперечные размеры которого равны 23х10 мм. Допуск на размеры волновода равен 0,045 мм. Образцы должны быть изготовлены с высокой точностью, так как даже небольшое нарушение параллельности их граней приводит к размыванию узлов стоячей волны в измерительной линии.

Толщина образца выбирается, исходя из следующих требований:

1) высокая механическая прочность образца;

2) удобство размещения образца в нагреваемом волноводе перед началом измерений и извлечения образца из волновода после окончания измерений;

3) максимальная точность измерения и tg.

Первое требование ограничивает минимально допустимую толщину образца и формулируется следующим образом:

d 10 мм .

Второе требование ограничивает максимально допустимую толщину образца и формулируется следующим образом:

d 40 мм .

Третье требование выдвигает гораздо более жесткие ограничения величины d. Дело в том, что максимальная точность измерений параметров и tg обеспечивается для образцов, толщина которых кратна нечетному числу четвертей длины волны в волноводе, заполненном диэлектриком (g). Это требование формулируется следующим образом:

d = ((2n +1)/4) g ,

где n = 0, 1, 2 …

Расчеты и эксперименты показывают, что отклонение от четвертьволновой толщины на 5% может быть принято без особого ущерба для точности измерений.

С учетом вышеизложенного, требования к допустимой толщине образца формулируются следующим образом:

10ммd40мм, (5.1)

(2n+1)/4-0,05)gd((2n+1)/4+0,05)g , (5.2)

где g=0/ ( - (0/2a)2) 0,5 , (5.3)

0(мм)=300/f (ГГц). (5.4)

Анализ требований (3.1) и (3.2) показывает, что для измерений на частотах, отличающихся друг от друга более чем на 10%, необходимо изготавливать отдельные образцы, удовлетворяющие этим требованиям.

Требования к параметрам материалов эталонных образцов, предназначенных для проверки измерительной установки при нормальной температуре

Образцы должны быть изготовлены из материалов, значения и tg которых находятся в пределах, указанных в технических характеристиках установки. Желательно иметь образцы с минимальными, максимальными и средними значениями параметров и tg из допустимых пределов их изменения. Значения и tg материала, из которого изготовлен эталонный образец, должны быть известны с погрешностями, меньшими, чем погрешности с которыми эти параметры измеряются с помощью настоящей установки. Требования к параметрам материалов эталонных образцов, предназначенных для проверки измерительной установки при высокой температуре

В дополнении к требованиям, изложенным в подразделе 3.4.2, к эталонным образцам, предназначенным для проверки работы установки при высоких температурах, предъявляются следующие требования.

Образец целесообразно изготавливать из материалов оксидной группы. Применение материалов со связующими не рекомендуется, так как возможно разложение этих связующих при высоких температурах.

Температурный коэффициент линейного расширения материала образца (ТКЛР) должен быть меньше, чем ТКЛР платины, из которой изготовлен измерительный (нагреваемый) волновод (ТКЛР платины равен 0,0000089 1/градус).

Температурные зависимости параметров и tg материалов, из которых изготавливаются эталонные образцы, в диапазоне температур +(20…1500)С должны быть известны с погрешностями, меньшими, чем погрешности с которыми эти параметры измеряются с помощью настоящей установки.

6. Разработка алгоритма обработки экспериментальных данных и программы для расчета И

6.1 Этапы измерений

Настоящая установка для измерения электрических характеристик диэлектриков позволяет осуществлять косвенные измерения и tg диэлектрических материалов при различных температурах. Непосредственно измеряемыми параметрами являются координаты точек положения зонда измерительной линии, в которых выпрямленный ток детектора измерительной линии равен некоторой заданной величине. Параметры и tg рассчитываются по результатам прямых измерений с помощью программы для ПЭВМ, описание которой приведено в настоящем разделе. Эта программа реализует алгоритмы расчетов, разработанные в разделе 4.

Измерения и расчеты выполняются в два этапа.

На первом этапе к выходу измерительной линии присоединяется измерительный волновод без образца. Измерения выполняются при нормальной температуре волновода, равной + (20 10)С. Измеренные на этом этапе параметры (x1, x2, x3, x4) являются первой частью исходных данных, необходимых для расчета и tg исследуемого материала.

На втором этапе к выходу измерительной линии присоединяется измерительный волновод с образцом. Измерения выполняются при достижении образцом требуемой температуры, которая обеспечивается аппаратурой нагрева, входящей в состав измерительной установки. Измеренные на этом этапе параметры (x5, x6) являются второй частью исходных данных, необходимых для расчета и tg исследуемого материала.

6.2 Описание программной среды

Для написания программы используется одна из самых эффективных систем компьютерного программного обеспечения - пакет универсальных интегрированных программ MATLAB6, прошедшая многолетний путь развития от узко специализированного матричного программного модуля, используемого только на больших ЭВМ, до универсальной интегрированной системы компьютерного программирования, ориентированной на массовые персональные компьютеры класса IBM PC. MATLAB представляет собой хорошо апробированную и надежную системы компьютерного программирования, рассчитанную на решение самого широкого круга математических задач с представлением данных в универсальной матричной форме.

Систему MATLAB разработал Молер (С.В. Moler) в 70-х г. г. ХХ века. В начале 80-х г.г. Джон Литл из фирмы Math Works, Inс. Модернизировал эту систему для персональных компьютеров типа IBM PC. Далее к расширению системы были привлечены крупнейшие ученые и научные школы в математике, программировании и естествознании. Это позволило MATLAB стать признанным лидером в решении различных проблем науки и техники среди других подобных систем. Этому способствовало создание языка программирования, который вобрал в себя преимущества традиционных языков (Fortran, Pascal, Basic, C++) и достаточно мощных средств визуализации и моделирования [9].

Система MATLAB предлагается разработчиками как лидирующий на рынке язык программирования высокого уровня для технических вычислений с большим числом стандартных пакетов прикладных программ. Система MATLAB вобрала в себя не только передовой опыт развития и компьютерной реализации численных методов, накопленный за последние три десятилетия, но и весь опыт становления математики за всю историю человечества. Ее охотно используют в своих научных проектах ведущие университеты и научные центры мира.

Система MATLAB 6.0 появилась в конце 2000 г. В этой реализации системы не только расширены ее возможности, но и радикально переработан и улучшен интерфейс пользователя, существенно обновился состав пакетов расширений.

6.3 Текст программы

d=input ('Ввведите толлщину образца d=');

r=input ('Ввведите КСВН r=');

xm=input ('Ввведите растояние xm=');

bg=input ('Ввведите коэффициет фазы bg=');

l0=input ('Ввведите длину волны в вакууме l0=');

lg=input ('Ввведите длину волны в воздкхе lg=');

lge=input ('Ввведите длину волны с диэлектриком lge=');

W=-((tan(bg*xm))/(bg*d));

b=0,000001

while R==W

b=b+0.000001;

R=((tan(b*d))/(b*d));

end

b

b=bge;

alfa=-(((bge*d)^2)/(r*bg*d))*((1+tan^2(bg*xm))/(tan(bge*d)-((bge*d)*(1+tan^2(bge*d))))/d;

E=(1-(l0/lg)^2+(l0/lge)^2)

TAN= (alfa*l0^2)/(pi*E*lge) R=((tan(b*d))/(b*d))

7. Разработка вопросов конструирования и технологии

Настоящие технические условия распространяются на устройство для измерения электрических характеристик диэлектриков при высоких температурах, обеспечивающее измерение относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика () и тангенса угла диэлектрических потерь ().

7.1 Общие требования

Устройство должно соответствовать требованиям настоящих технических условий и комплекта конструкторской документации.

Принцип действия устройства для измерения электрических характеристик диэлектриков при высоких температурах должен заключатся в измерении параметров нагретого диэлектрика и расчете косвенным методом необходимых электрических характеристик.

7.2 Основные параметры и характеристики

Устройство должно работать в сетях переменного тока напряжением 220В.

Устройство должно обеспечивать измерения с погрешностью:

- в холодном состоянии ;

- при нагреве .

7.3 Требования по устойчивости к внешним воздействиям

Устройство должно устойчиво работать при следующих значениях внешних факторов:

- относительная влажность воздуха % и температура 20000С;

- температура окружающей среды от 0 до плюс 45 ;

- устройство должно эксплуатироваться в лабораторных условиях.

7.4 Требования к конструкции

Конструкция должна обеспечивать удобство монтажа и замены комплектующих изделий.

7.5 Требования к надежности

- Назначенный срок службы устрйства - 10 лет;

- назначенный ресурс - 90000 ч;

- вероятность безотказной работы за 2000 ч наработки должна быть не менее 0, 97.

7.6 Комплектность

В комплект поставки устройства должны входить:

- устройство для измерения электрических характеристик диэлектриков при высоких температурах - 1 шт.;

- комплект для крепления устройства - 1 компл.;

- одиночный комплект ЗИП - 1 компл.;

- комплект эксплуатационных документов - 1 экз.

В комплект эксплуатационных документов должны входить:

- руководство по эксплуатации - 1 экз.;

- паспорт - 1 экз.;

- ведомость ЗИП - 1 экз.

7.7 Маркировка

Маркировка должна производиться с учетом требований ГОСТ 18620-80 и ОСТ 5.6083-82.

Таблички с маркировочными данными должны быть закреплены на наружной поверхности корпуса.

Маркировка должна быть нанесена на таблички способом, обеспечивающим ясность и сохранность надписей в течении всего срока эксплуатации.

На табличках должны быть указаны:

- товарный знак предприятия изготовителя;

- условное наименование изделия в соответствии с настоящими техническими условиями;

- заводской номер;

- год изготовления.

7.8 Консервация и упаковка

Консервация и упаковка должны производиться с учетом требований ГОСТ 9.014-78 и ОСТ 5.6083-82.

Устройство для измерения электрических характеристик диэлектриков при высоких температурах и запасные части должны быть подвержены консервации и иметь упаковку, предохраняющую их от повреждения при транспортировании и хранении.

7.9 Требования безопасности

· Устройство должно соответствовать требованиям «Правил устройства электроустановок».

· Устройство должно иметь заземляющее устройство и знаки заземления по ГОСТ 21130-75.

· На лицевой панели корпуса устройства должна быть световая сигнализация о включении его в работу.

· Температура нагрева поверхности внешней оболочки устройства не должна превышать 350С при оговоренной температуре окружающей среды.

· Пожарная безопасность устройства должна обеспечиваться применением надежных контактных соединений, не требующих обслуживания в течение периода непрерывной работы, закрытием кабельных вводов, максимальным применением негорючих и трудногорючих материалов, соблюдением электрических зазоров и расстояний утечки по поверхности изоляции.

7.10 Правила приемки

· Правила приемки должны быть в соответствии с ОСТ5.6083-82.

· Объем и последовательность испытаний должны быть в соответствии с ОСТ5.6083-82.

7.11 Транспортирование и хранение

Условия транспортирования по группе 2 ГОСТ 15150-69. Погрузку, крепление и транспортирование устройства осуществлять в закрытом подвижном составе в соответствии с «Правилами перевозки грузов» и «Техническими условиями погрузки и крепления грузов», утвержденными МПС.

Условия хранения по группе 2 ГОСТ 15150-69.

7.12 Указания по эксплуатации

Эксплуатация КНЭ должна производиться в соответствии с «Руководством по эксплуатации».

7.13 Гарантии изготовителя

· Изготовитель гарантирует соответствие устройства требованиям настоящих технических условий при соблюдении потребителем правил транспортирования, хранения, монтажа и эксплуатации.

· Гарантийный срок службы 1 год со дня установки устройства при условии соблюдения требований по эксплуатации, но не более 1,5 лет со дня отгрузки изготовителем.

· В течение гарантийного срока эксплуатации изготовитель своими силами и средствами устраняет дефекты, выявленные в этот период, при условии соблюдения потребителем правил транспортирования, хранения, монтажа и эксплуатации.

· После истечения гарантийного срока эксплуатации изготовитель все работы по ремонту производит при наличии соответствующего договора.

8. Безопасность жизнедеятельности и санитарно-гигиенические условия труда на рабочем месте

8.1 Безопасность труда при эксплуатации проектируемой аппаратуры, разработка средств защиты

В дипломном проекте разрабатывается устройство для измерения электрических характеристик диэлектриков при высоких температурах. В состав устройства входит СВЧ - генератор. Генератор работает в диапазоне частот 8,51…12,16 ГГц, калиброванный уровень выходной мощности генератора регулируется в пределах от 110-3 до 110-14 Вт, нестабильность уровня мощности не более 0,02. Также в устройстве присутствует лабораторная печь омического нагрева, в которую помещается исследуемый образец диэлектрика. В лабораторной печи омического нагрева в качестве рабочих элементов используются карбид кремниевые нагреватели, образующего рабочую зону печи. Трубчатый кожух, выполненный из термостойкого керамического материала, служит, в том числе, как защита рабочей зоны от контакта с нагревателями. Материал, из которого изготовлен трубчатый кожух, обладает достаточной механической прочностью и стабильными диэлектрическими свойствами во всем рабочем диапазоне температур. Нагреватели и трубчатый кожух с внешней стороны защищены керамической теплоизоляцией, заключенной в металлический корпус.