автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему: Методы и средства измерения комплексной диэлектрической проницаемости импедансных материалов
Автореферат диссертации по теме "Методы и средства измерения комплексной диэлектрической проницаемости импедансных материалов"
V о А 1Д я Л 1393
На правах рукописи
ДМИТРИЕНКО ГЕРМАН ВЯЧЕСЛАВОВИЧ
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ИМПЕДАНСНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Специальность : 05.11.05 - Приборы и методы измерения эл^ктои^^ских и магнитных велмчмн
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена на кафедре «Радиотехника» Ульяновского государственного технического университета
Научный руководитель - кандидат технических наук,
профессор H.A. Трефилов
Официальные оппоненты - доктор технических наук,
профессор Ф.А. Зыкин,
кандидат технических наук, доцент A.B. Ефимов
Ведущее предприятие - Ульяновский Механический завод
Защита состоится 17 декабря 1998 г. в 11 часов на заседании специализированного совета Д 064.21.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Ульяновском Государственного Техническом Университете до адресу 432027, Ульяновск, ул. Северный Венец, 32
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного технического университета.
Автореферат разослан " " ¿СО ^^Х 1998 Г.
Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В последнее время углеродосодер-жащие материалы (углепластики) широко применяются в радиотехнике сверхвысоких частот (СВЧ) в качестве материалов, обеспечивающих радиотехнические характеристики радиоэлектронных устройств; для изготовления рефлекторов антенн, в качестве защитных укрытий антенн и радиоэлектронной аппаратуры от мощного электромагнитного излучения, для маскировки объектов и т.д. При проектировании и конструировании радиотехнических устройств главной задачей является правильный выбор СВЧ диэлектриков, так как от них зависят технические характеристики будущего изделия. Для успешного применения композиционных материалов в радиотехнических системах необходимо знать их электродинамические характеристики, в частности, температурные зависимости комплексной диэлектрической проницаемости, т.к. использование этих материалов происходит зачастую в условиях нагрева.
Для экспериментального определения комплексной диэлектрической проницаемости диэлектриков и их температурных зависимостей необходимо разрабат-ыьагь методы и средства измерений и методики обработки результатов измерений электродинамических параметров композиционных материалов.
Как показал анализ, традиционно используемые методы измерений электродинамических параметров рассчитаны на материалы с малыми значениями диэлектрической проницаемости £ и тангенса угла диэлектрических потерь и измерения в основном производятся з условиях нормальных температур. В силу специфических свойств используемых материалов, характеризующихся большими значениями е и tg5 традиционные методы измерения электродинамических характеристик не дают требуемую точность, что ведет к большим погрешностям измеряемых величин. Поэтому является актуальной задача создания измерительных устройств и разработка методик обработки результатов измерений для композиционных материалов уменьшающих погрешности измерений. Таким образом, актуальность темы непосредственно связана с повышением точности измерения комплексной диэлектрической проницаемости композиционных, мате-г риалов в нормальных условиях и в условиях нагрева.
Цель и задачи работа. Основной целью диссертационной работы является разработка методик, устройств и рекомендаций для измерения комплексной диэлектрической
проницаемости импедансных материалов и ее температурных зависимостей при нагреве, на основе измерительных датчиков, а также разработка рекомендаций для практической реализации измерительных устройств и алгоритмов обработки результатов измерений измеряемых величин. Под им-педансными материалами понимаются материалы, обладающие большим характеристическим сопротивлением в используемом диапазоне частот.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
- исследование методов и разработка устройств для измерения комплексной диэлектрической проницаемости импедансных материалов на СВЧ и, в том числе, в условиях нагрева;
- теоретическое исследование и разработка волновод-ных, резонаторных и радиоволновых датчиков, применяющихся в измерении комплексной диэлектрической проницаемости импедансных материалов на СВЧ; ,
- разработка рекомендаций по построению измерительных датчиков, имеющих уменьшенные погрешности измерений, на основе анализа условий, влияющих на точность измерений;
- разработка рекомендаций по построению измерительной аппаратуры с целью уменьшения погрешности измерений;
- разработка методик измерений и математического аппарата по обработке результатов измерений.
Научная новизна работы состоит в следующем.
1. Предложена точная электродинамическая модель радиоволнового датчика, позволяющая оценить эффект взаимодействия электромагнитной волны с низкоимпедансным материалом. На основе точной электродинамической модели радиоволнового датчика рассматривалось взаимодействие электромагнитной волны с исследуемым материалом в радиоволновом датчике, которое позволило разработать методику измерений с уменьшенной погрешностью.
2. Предложена конструкция зслповодных датчиков бегущей волны, позволяющая уменьшить инструментальную погрешность измерения комплексной диэлектрической проницаемости за счет распределенного взаимодействия электромагнитного поля с исследуемым образцом.
3. разработано теоретическое обоснование функционирования волноводных датчиков бегущей волны для разных групп импедансных материалов.
4. Предложен новый метод измерений температурной зависимости комплексной диэлектрической проницаемости, основанный на применении зондирующей волны большой мощ-
ности, осуществляющий получение измерительной информации и нагрев образца.
5. Впервые выполнены экспериментальные исследования комплексной диэлектрической проницаемости для ряда материалов типа углепластиков радиотехнического назначения .
Практическая значимость диссертационной работа.
Разработанные конструкции-волноводных, резонаторных и радиоволновых датчиков и приведенные рекомендации по построению измерительных схем могут быть использованы при исследовании и измерении комплексной диэлектрической проницаемости новых импедансных материалов различных типов. Материалы диссертации позволяют производить исследования и измерения характеристик импедансных материалов в условиях нагрева.
Разработанный пакет программ позволяет автоматизировать процесс обработки результатов измерения комплексной диэлектрической проницаемости.
Основные положения, выносимые на ¡защиту
.!-. гезультаты исследования основных причин епплчвннл точности измерения комплексной диэлектрической проницаемости импедансных материалов, полученные путем применения метода интегральных уравнений для описания взаимодействия электромагнитного поля с поглощающими. средами.
2. Исследование и разработка методик измерений комплексной диэлектрической проницаемости импедансных материалов на СВЧ, а так же в условиях интенсивного микроволнового нагрева.
3. Теоретическое и экспериментальное исследование волноводных, резонаторных и радиоволновых датчиков для измерения комплексной диэлектрической проницаемости импедансных материалов.
4. ¿-'азраоотка рекомендации для практической реализации построения измерительных датчиков и измерительных схем для измерения комплексной диэлектрической проницаемости импедансных материалов.
5. Разработка рекомендаций по уменьшению погрешностей измерения производимых с помощью волноводных, резонаторных и радиоволновых датчиков.
Методы проведения исследований. В работе используются современные теоретические и экспериментальные методы. К теоретическим методам относятся: методы инте-
тральных уравнений, собственных функций, теория теплопроводности и вычислительной математики.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на региональных [1], Всероссийских [11,12], международных [3,4,6,7,8], а также на 31-й и 32-й конференциях профессорско-преподавательского состава УлГТУ.
Внедрения результатов работа. Результаты диссерта-
гтт/Птгттгг -» ^ г-^тг т пил ггпл иг <г т» иттл> ТЭГ4*' г л та ч ггт^Лттг ппл _
1.1, Г А £-» СА ^ Д. ЫА и 14 & ** А1А1Ч/ и 'З^иши/!
цесс УлГТУ, что подтверждено соответствующими актами.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ.
Структура и обтем работы. Диссертационная работа состоит' из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 116 наименований и 3 приложений. Диссертация содержит 196 е., в том числе: 175 с. основного текста, 4 таблицы и 57 рисунков.
Во введении обосновывается актуальность выбранной темы исследования, сформулированы цель работы и задачи, которые необходимо решить.
В первой глава диссертации с использованием отечественных и зарубежных источников рассматриваются области применения диэлектрических материалов на СВЧ и методы измерения их электродинамических параметров.
Проведенный анализ показал, что композиционные уг-леродосодеожащие материалы являются новым классом диэлектрических материалов, обладающие специфическими электродинамическими и механическими свойствами. Они имеют большие значения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь. По своей механической прочности они не уступают металлам, имея малый вес (1,7-2,8 грамм/на см в куб.), они устойчивы к химически агрессивным средам и т.д. Поэтому, в силу своих специфических свойств, композиционные материалы используются в авиационной, космической и судостроительной промышленностях, где они применяются для защитных укрытий радиоэлектронной аппаратуры от воздействия мощного широкополосного электромагнитного излучения, для антен-
ных обтекателей и рефлекторов антенн, для маскировки наземных, надводных и воздушных объектов.
Показано, что традиционными методами измерения комплексной диэлектрической проницаемости являются волно-водный, резонаторный и радиоволновой. Непосредственно измеряемые параметры определяются выбранным методом и. видом используемого измерительного датчика. Каждый метод имеет свои метрологические характеристики и требования, предъявляемые к исследуемому образцу. Для каждого метода приведены основные способы реализации и расчетные формулы для вычисления комплексной диэлектрической проницаемости исследуемых материалов. Проведенный анализ показал, что традиционные методы измерения комплексной диэлектрической проницаемости рассчитаны на измерение диэлектриков, имеющих малые значения комплексной диэлектрической проницаемости.
Экспериментально показано, что традиционные методы измерения комплексной диэлектрической проницаемости ма-
тт/-л п »-> т* -п ггц; т ттттст тлю» гт т*»*гт<-чгтс> илас*' »»оплучт/о пап т^п —
большой методической погрешности и требуют дополнительных исследований для проведения измерений в условиях
ит^гчлп глп<«ттлтг«»1тг1г» тгч
Из материала аналитического обзора следует необходимость совершенствования методов и средств измерений для импедансных материалоз дающих необходимую точность. Из проведенного анализа следует, что для импедансных углеродосодержащих материалов необходимо провести более точный анализ взаимодействия электромагнитной волны в датчике с измеряемым образцом для уменьшения методической погрешности измерений и необходимо провести исследование новых типов не традиционных датчиков для уменьшения инструментальных погрешностей измерений.
В первой главе проведен математический анализ процесса нестационарного нагрева импедансных материалов, который показал возникающие трудности при рассмотрении
лом и возможные пути решения.
С учетом изложенного формулируются следующие задачи, поставленные в диссертации:
1. Разработка методов и устройств для измерения диэлектрической проницаемости и тангенс угла диэлектрических потерь композиционных материалов хз нормальных ус ловиях и в условиях нагрева.
2. Теоретический анализ взаимодействия электромагнитных волн с исследуемым нагретым углепластиком, с це-
лью разработки методики для обработки результатов измерений с наименьшей методической погрешностью.
3. Разработка рекомендаций для построения измерительных схем с уменьшенной погрешностью для предлагаемых методов.
4 Разработка рекомендаций по проектированию измерительных датчиков, учитывающих температурные зависимости s и tgS композиционных материалов.
5. Разработка рекомендаций по построению измерительной аппаратуры с целью уменьшения погрешности измерения и с учетом условии, влияющих на точность измерений. -. ■
-6. Выполнение измерений е и tgS новых композиционных материалов) которые ранее не применялись, с оцениванием полученных погрешностей.
Вторая глава диссертации посвящена разработке и описанию физической модели измерительного датчика с импедансным материалом для измерения комплексной диэлектрической проницаемости в нормальных условиях и при нагреве. В электродинамике под импедансным материалом понимается материал на поверхности которого применимо граничное условие Щукина-Леонтовича. s качестве базовой модели взят радиоволновой датчик. Взаимодействие электромагнитной волны с импедансным телом описывается методом интегральных уравнений.
При описании взаимодействия электромагнитной волны с импедансным телом методом интегральных уравнений, поставленную задачу удобно разделить на три части, в силу специальных свойств и широкого диапазона значений комплексной диэлектрической проницаемости исследуемых образцов. Каждая часть задачи описывает определенный диапазон свойств имледансных материалов.
Первая часть - исследуемый материал представляет собой однородное тело и рассматривается как полубесконечная модель. В процессе формирования отраженного поля участвует одна граница исследуемого материала. Примером является поглощающий материал, в котором проникающая мощность полностью поглощается.
Вторая часть - исследуемый материал представляет собой однородное электрически тонкое тело. В процессе формирования поля участвуют обе границы. Примером является материал, в котором прошедшая волна испытывает большое затухание, а отраженная волна формируется всей толщиной образца.
Третья часть - исследуемый материал представляет собой неоднородное тело и рассматривается в качестве
многослойной структуры. Примером является неоднородный материал образца, образующийся вследствии нестационарного одностороннего нагрева.
Для определения электромагнитного поля в некоторой области надо знать распределение возбуждающих токов в этой области и распределение тангенциальных составляющих напряженности электрического или магнитного полей на ограничивающей эту область поверхности. Для этого используются истокообразное представление напряженности электрического и магнитного полей, связанные через вспомогательные векторные магнитный и электрический потенциалы с возбуждающими токами.
Для первой части задачи поле зондирующей волны на освещенной поверхности задается магнитным током, а полное поле внутри импедансного тела на большом удалении равно нулю. Получена система векторных интегральных уравнений для освещенной поверхности и для произвольной границы внутри импедансного тела. Полученные векторные уравнения преобразуются к скалярным и уравнения решаются численно.
Для второй части задачи поле зондирующей волны на освещенной поверхности зэ_дв_втс-я мвтнитньтм током. Поле прошедшей волны на теневой поверхности задается наведенными магнитным и электрическим токами. В результате получается система из грех уравнений. Первое описывает освещенную поверхность, второе и третье описывают теневую. Полученные уравнения являются уравнениями Фред-гольма, которые решаются численно.
Для третьей части задачи используется плоскослоистая модель, в которой каждый слой представляется как однородный диэлектрик. Используя граничные условия для диэлектрических тел, производится сшивка поверхностных токов. Внутренние границы описываются набором магнитных и электрических токов для каждого п - слоя в виде (1) и (2)
2п6э1 гг. „ ^ , х , . , о .
Освещенная и теневая поверхности (границы) описываются аналогично второй части. Полученные уравнения решаются так же, как во второй части.
Для измерений температурных зависимостей диэлектрической проницаемости углеродосодержащих материалов используются различного вида нагреватели. Распределение температуры по образцу является чисто тепловой задачей. В импедансных телах наблюдается сильное поглощение электромагнитной волны и это может быть использовано для их нагрева. В данным случае предлагается использовать зондирующую волну большой мощности для измерения и нагрева исследуемого материала. В качестве измеряемых параметров используются радиотехнические (комплексный коэффициент отражения'или прохождения) и теплофизиче-ские ( распределение температуры в нагреваемом образце) величины.
Далее рассматривается тепловой процесс, проходящий в нагреваемом импедансном теле, с целью получить зависимость температуры нагрева образца от комплексной диэлектрической проницаемости. Это описывается уравнением теплопроводности, в котором плотность тепловых источников связана с амплитудой зондирующей волны и комплексной диэлектрической проницаемостью. Поэтому, если имеется полученная измерительая информация по распределению температуры по образцу для разных моментов времени, то на основе ее можно определить комплексную диэлектрическую проницаемость. При объединении электродинамических и теплофизических уравнений в одну систему повышается точность и достоверность измерения диэлектрической проницаемости.
Во второй главе приведен алгоритм вычисления температурных зависимостей комплексной диэлектрической проницаемости. Обработка результатов измерений с целью вы-
числения диэлектрической проницаемости производится по электродинамическим и теплофизическим параметрам.
В третей главе диссертации предложены и исследованы волноводные измерительные датчики бегущей волны, использующие процесс распределенного взаимодействия электромагнитной волны с образцом импедансното материала. В качестве волноводных датчиков используются волноводы со стенкой из импедансного материала. На основе методов малых возмущений, собственных функций и продольных волн рассмотрены волноводные датчики с широкой и узкой импе-дансными стенками. Используемые различные подходы обладают различной сложностью методики обработки результатов. Метод малых возмущений дает простые аналитические соотношения, которые удобно применять на практике, но они пригодны для узкого диапазона значений диэлектрической проницаемости. Методы собственных функций и продольных волн позволяют построить методику обработки результатов измерений, пригодную для всего диапазона измеряемых результатов, при этом обработка результатов производится численно с помощью ЭВМ. Методы собственных функций и продольных волн основаны на разном представ-
г-\т л т п ттп т-» г?/-» тт »» т^ тт г л тт глгп т
ттл Т. 1 Т/« О "р тт.г т ГГ4 гч —
ленный результат. Рассмотрено включение волноводного датчика в измерительную схему. Процесс включения измерительного датчика с измеряемым трактом описан методом частичных областей (метод сшивания). Из практических результатов получено, что для одинаковых материалов волноводные датчики бегущей волны обладают большей точностью измерения, чем волноводные датчики стоячей волны.
В четвертой удаве диссертации приводятся результаты разработки практических конструкций волноводных, резо-наторньхх и радиоволновых датчиков, предназначенных для измерения комплексной диэлектрической проницаемости им-педансных материалов в нормальных условиях и при нагре-
нению с учетом факторов, влияющих на погрешность измерений. С учетом того, что измерения производятся при использовании мощности большого уровня, в конструкциях измерительных датчиков предусмотрены меры по предотвращению излучения энергии наружу в местах контакта корпуса датчика и исследуемого материала. Даны рекомендации по использованию конструкций измерительных датчиков в нормальных условиях и в условиях высоких температур. Приведен анализ погрешностей измерений, вызванных структурой образца и способом расположения образца в
измерительном датчике. Приводятся измерительные схемы с включение
м измерительных датчиков для измерения комплексной диэлектрической проницаемости в нормальных условиях и условиях нагрева. Приведены рекомендации по установке измерительных элементов, термопар на поверхности и внутри исследуемого материала. А также приведен анализ погрешностей измерений температуры нагрева, вызванных- применением термопар. Разработаны рекомендации для практической реализации СВЧ нагревателя. Разработана электрическая схема блока управления СВЧ нагревателя и рассмотрен пример практической реализации лабораторного макета СВЧ нагревателя, обеспечивающий мощность нагрева до 10 кВт.
В четвертой главе приведена структурная схема измерительной установки с использованием радиоволнового датчика для измерения комплексной диэлектрической проницаемости. Впервые получены результаты измерений некоторых материалов, типа углепластиков радиотехнического назначения, в нормальных условиях и условиях нагрева. В таблице 1 приведены измеренные значения диэлектрической
1П(ПМ тл т яцпаипд Л/Т1 ТТ я
диэлектрических потерь = На рис.1 и рис.2 представлены температурные зависимости модуля и фазы коэффициента отражения.