Сверхширокополосный прибор для измерения комплексной диэлектрической проницаемости сред на основе экранированной копланарной линии

Актуальность темы

В данной работе исследована возможность создания прибора и соответствующего метода для измерения комплексной диэлектрической проницаемости твердых, жидких, сыпучих сред в УКВ и СВЧ диапазонах без нарушения их структуры. Данная задача является актуальной во многих областях, в том числе в геофизике и радиофизике. Существует большое разнообразие методов и приборов для подобных измерений. Однако для исследования электрических свойств сред без нарушения их структуры известно крайне небольшое число методов и приборов. Это резонансные, волноводные и квазистатические методы.

В миллиметровом диапазоне длин волн используют квазистатические методы. Они методы позволяют измерять электрические параметры сред без нарушения их структуры, однако в интересующем нас частотном диапазоне установки чрезвычайно громоздки и проведение исследований в ряде случаев вызывает значительные затруднения.

Приборы, в основе которых использован резонансный метод, отличаются следующими недостатками.

• узкий диапазон измеряемых потерь, как правило, малых,.

• ограниченный диапазон частот,.

Другим возможным вариантом устройства для определения диэлектрической проницаемости, основой которого является измерительная ячейка выполненная на основе микрополосковой линии (МПЛ). Анализ известных конструкций измерительных ячеек показывает, что измерения параметров сред со средними и большими потерями возможен при использовании нерезонансных отрезков линий передачи. Для неразрушающего контроля подходят только плоские конструкции, например, в виде несимметричной МПЛ, щелевой и копланарной линий. Первая имеет самую слабую связь из перечисленных типов линий с исследуемым диэлектриком, что ограничивает снизу диапазон измеряемых диэлектрических проницаемостей. Для получения близких к стандартным значений волнового сопротивления зазор в щелевой линии должен мыть менее 0.1 мм, что не дает возможности измерять параметры материалов с характерными размерами частиц более 0.01 — 0.02 мм. Было предложено использовать копланарную линию (КЛ), которая имеет два свободных геометрических параметра: ширину активного проводника и ширину щелей (зазоров) между ним и боковыми заземленными электродами. Оказалось возможным выбрать максимально возможную ширину щелей и подобрать такую ширину активного проводника, при которых волновое сопротивление линии не сильно отличается от стандартных значений. Необходимое волновое сопротивление нагруженной копланарной линии может быть достигнуто даже при ширине щелей, А ~ 5−7 мм. Это делает такую конструкцию измерительной ячейки, с одной стороны, слабо критичной к величине зазора между материалом и проводниками копланарной линии, с другой стороны, позволяет измерять проницаемость гранулированных сред характерные размеры которых в несколько раз меньше ширины щелей.

Целью диссертационной работы создание прибора и разработка метода для неразрушающего экспресс контроля диэлектрической проницаемости материалов и сред при отсутствии жестких требований к величине зазора между измерительной ячейкой и поверхностью исследуемого вещества. При этом преодолеваются недостатки известных схем для измерений комплексной диэлектрической проницаемости по величине потерь {tgS< 1), что дает возможность измерять электрические параметры сыпучих и неоднородных сред со средними и большими потерями с заметными средними размерами их структурных элементов, например песок, гравий, бетон и т. п.

Главными задачами реализации прибора для измерения комплексной диэлектрической проницаемости сред являлись:

• выбор и обоснование типа линии измерительной ячейки, слабо критичной к зазорам между исследуемым материалом и рабочей поверхностью линии;

• определение калибровочных зависимостей, то есть связи между измеряемой эффективной комплексной диэлектрической проницаемостью и проницаемостью нагружающего измерительную ячейку исследуемого вещества. Для этого было необходимо провести расчет электрических параметров нагруженной исследуемым диэлектриком отрезка копланарной линии;

• обоснование и разработка метода измерения эффективной постоянной распространения нагруженной копланарной линии;

• расчет эффективной диэлектрической проницаемости копланарной линии по измеренным частотным зависимостям напряжения в фиксированных точках линии;

• отыскание эталонных сред с большими диапазонами вариаций диэлектрической проницаемости и потерь для уточнения калибровочных зависимостей;

• создание рабочего макета измерительного прибора.

Научная новизна заключается в следующем.

В диссертации теоретически и экспериментально исследована экранированная копланарная линия, нагруженная слоем диэлектрика. Разработан и реализован метод измерения постоянной распространения копланарной линии, нагруженной испытуемым диэлектриком. Впервые реализован метод определения эффективной комплексной диэлектрической проницаемости измерительной ячейки по частотным зависимостям амплитуд электромагнитного поля в фиксированных точках KJ1 в широком диапазоне частот.

На защиту выносятся следующие положения:

• выбор и обоснование типа линии измерительной ячейки, слабо критичной к зазорам между исследуемым материалом и рабочей поверхностью линии;

2. установление связи между измеряемой эффективной и реальной комплексной диэлектрической проницаемостью средыэкспериментальное подтверждение методики определения эффективной диэлектрической проницаемости среды, нагружающей измерительную ячейку;

3. разработка методов определения эффективной постоянной распространения нагруженной KJ1 по измеренным частотным зависимостям напряжения на фиксированных датчиках-зондах, а также расчета эффективной диэлектрической проницаемости KJ1;

4. выбор эталонных сред с большими диапазонами вариаций диэлектрической проницаемости и потерь и измерение их электрических параметров для уточнения калибровочных зависимостей;

5. разработка и тестирование лабораторного макета прибора для измерений комплексной диэлектрической проницаемости сред без нарушения их структуры;

6. разработка рабочего макета измерительного прибора;

Научно-практическое значение. Предложена конструкция измерительной ячейки на основе экранированной копланарной линии и проанализирована возможность создания прибора и соответствующего метода для неразрушающего экспресс контроля диэлектрической проницаемости материалов и сред при отсутствии жестких требований к величине зазора между измерительной ячейкой и поверхностью исследуемого вещества. При этом преодолеваются недостатки известных схем для измерений комплексной диэлектрической проницаемости при произвольных потерях (fgJ.

Апробация работы, публикации, внедрение и использование: материалы диссертационной работы были представлены на международной научно-практической конференции «Георадар-2002», XXI всероссийской научной конференции Йошкар-Ола 2005, Труды Всероссийской школы — конференция по дифракции и распространению радиоволн РОСНОУ-2001, Научные конференции МФТИ 2002;2006 года, Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени А. С. Попова. По теме диссертационной работы опубликованы 11 печатных работ (7 тезисов докладов, 2 доклада на конференциях, 2 статьи в отечественных и зарубежных изданиях).

Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, и списка цитированной литературы. Содержит 137 страниц текста, 95 рисунков. Список цитированной литературы содержит 70 наименований.

Заключение

.

Проведенные исследования подтверждают возможность создания макета прибора для измерения комплексной диэлектрической проницаемости твердых, жидких, сыпучих сред со средними и большими потерями в УКВ и СВЧ диапазонах без нарушения структуры испытуемых материалов. В итоге получены следующие основные результаты.

1. Обоснованно использование экранированной копланарной линии в качестве измерительной ячейки устройства для измерения комплексной диэлектрической проницаемости сред.

2. Проанализированы методы расчета эффективной диэлектрической проницаемости копланарных линий разных конфигураций, нагруженных слоем исследуемого материала с заданной комплексной диэлектрической проницаемостью.

3. Проведено численное моделирование двух вариантов конструкции копланарной линии с использованием пакета Microwave Office 2000 на основе спекрально-доменного метода моментов. В результате получено первое приближение для калибровочной зависимости, связывающей эффективную диэлектрическую проницаемость копланарных линий разных конфигураций с комплексной диэлектрической проницаемостью нагружающего линию вещества.

4. Установлено, что при толщине нагружающего слоя диэлектрика более 20 мм измеренные величины постоянной распространения линии отличаются менее чем на 2 — 5% по сравнению с постоянной распространения для полубесконечного слоя испытываемого вещества.

5. Предложена конструкция измерителя комплексной диэлектрической проницаемости твердых, жидких, сыпучих материалов и сред с произвольными потерями без нарушения их структуры. В качестве измерительной ячейки в нем использован отрезок замкнутой или разомкнутой экранированной копланарной линии и система датчиков электрического поля.

6. Предложен и реализован метод измерения эффективной постоянной распространения измерительной ячейки, нагруженной средой, на основе широкополосных измерений частотных зависимостей амплитуды поля в дискретных точках копланарной линии. Определена методика расположения и необходимое количество фиксированных датчиков-зондов в случае замкнутой и разомкнутой линии, обеспечивающих однозначность определения частотных зависимостей диэлектрической проницаемости исследуемой среды. Определены верхние и нижние границы измерения действительной и мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости материалов, связанные с конструкцией измерительной ячейки.

7. Разработана методика определения эффективной диэлектрической проницаемости с использованием всего массива данных амплитудно-частотных характеристик трех датчиков. Реализован численный алгоритм получения эффективной диэлектрической проницаемости, основанный на минимизации функционала разности экспериментальных и теоретических данных.

8. Обоснована экстраполяция теоретических калибровочных зависимостей измерительного прибора в области больших проницаемостей исследуемого материала. Для этого проведены измерения комплексной проницаемости песка и черноземного грунта различной весовой влажности, а так же водных растворов спиртов, которые дали эталонные значения проницаемости от 3 до 81.

9. Построены итоговые калибровочные зависимости, определяющие связь эффективной диэлектрической проницаемости нагруженной материалом копланарной линии с диэлектрической проницаемостью е' и тангенсами потерь tgS исследуемого материала. Калибровочные зависимости для небольших значений проницаемости (менее 10) получены на основании численного моделирования, а для больших — с использованием экспериментальных данных по результатам измерений электрических параметров эталонных сред.

10. Сформулирована концепция полевого прибора для экспресс-анализа электрических параметров сред без нарушения их структуры. Разработана его конструкция и электрическая схема.