Разработка установки и исследование диэлектрических свойств материалов в диапазоне частот до 178 ГГц

• Автор: Нонг Куок Куанг
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Иркутск
• Количество страниц: 131 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
1.1. Диэлектрики и виды поляризации
1.2. Частотные зависимости и модели поляризации диэлектриков
1.3. Методы исследования свойств диэлектриков в СВЧ диапазоне
1.4. Измерения в открытом резонаторе со сферическими зеркалами
1.5. Выводы
2. РАЗВИТИЕ МЕТОДА ОТКРЫТОГО РЕЗОНАТОРА
2.1. Резонатор с симметрично расположенным магнитодиэлектриком
2.2. Относительный запас энергии электрического и магнитного полей в магнитодиэлектрическом образце
2.3. Коэффициент изменения омических потерь в зеркалах
2.4. Спектр открытого резонатора со смещенным образцом
2.5. Определение параметров резонатора и моделирование его спектра
2.6. Выводы
3. РАЗРАБОТКА УСТАНОВКИ ДЛЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ В ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ 78 -178 ГГЦ
3.1. Получения и регистрация сигнала в диапазоне частот 78-178 ГГц
3.2. Разработка открытых резонаторов и конструкции установки
3.3. Возбуждение открытого резонатора делительной пленкой
3.4. Калибровка измерительного тракта и детектора
3.5. Выводы
4. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
4.1. Аппроксимация резонансных характеристик и определение размеров резонатора
4.2. Экспериментальная процедура
4.3. Экспериментальные результаты
4.4. Измерение параметров ферритов
4.5. Зависимость результатов измерения от электрической толщины образцов
4.6. Выводы
5. ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ В ОТКРЫТОМ РЕЗОНАТОРЕ
5.1. Коэффициенты влияния входных величин в открытом резонаторе
5.2. Методика обработки результатов

5.3. Статистическая составляющая неопределенности (тип А)
5.4. Нестатистическая составляющая неопределенности (тип В)
5.5. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. В последние годы интенсивно расширяется использование электромагнитных волн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов в исследованиях природных ресурсов, искусственных материалов, радиолокации, спутниковой связи, телевидении, телекоммуникациях и промышленности. Эти диапазоны получили общее название крайне высоких частот (КВЧ). Для применений материалов в этом диапазоне необходимо исследование их диэлектрических свойств, поскольку материалы служат средой для передачи волн и создания компонентов и функциональных элементов этого диапазона. Имеющиеся в литературе данные о диэлектрических параметрах материалов в диапазоне КВЧ малочисленны, часто не имеют оценки точности, и не позволяют сопоставлять с данными в сантиметровом и более низкочастотных диапазонах. Поэтому задача поиска и исследования материалов с эталонными диэлектрическими свойствами в данном диапазоне частот и точное измерение их параметров является актуальной.
Сами методы исследования и принципы построения экспериментальных установок в диапазоне КВЧ имеют особенности и сложности. Это связанно, в частности, с ограниченной возможностью применения многих обычных СВЧ элементов при КВЧ вследствие малости длины волны в сравнении с размерами элементов. С другой стороны, длина волны еще недостаточно мала для применения в полной мере оптических принципов и элементов в экспериментальных установках и методиках исследований, поскольку роль дифракционных явлений оказывается существенной. Несмотря на достижения в технике и элементной базе миллиметровых волн, получение сигнала с высокой стабильностью, достаточной мощностью и цифровым управлением параметрами (частотой, мощностью) все еще остается сложной и очень дорогостоящей задачей. Выпускаемые ведущими зарубежными производителями анализаторы цепей до терагерцового диапазона доступны лишь очень крупным исследовательским центрам. Поэтому разработка экспериментальных установок с компьютерным управлением и преимущественно российской твердотельной элементной базой также важна и актуальна.
Целью работы является создание эталонной экспериментальной установки на основе открытого двухзеркального резонатора (ОР) и исследование свойств диэлектрических материалов в диапазоне частот до 178 ГГц для применения в качестве стандартных образцов комплексной диэлектрической проницаемости.

[99] предложены поправки на относительный сдвиг резонансной частоты или к толщине образца, учитывающие это отличие методом возмущения

є~ 2/г2р0(гДсї + £[)
где р0 = ~ь) > ЧО2 = Щ

сое ¥1С эт2'*'

(1.37)
= ^, л(0 = *

Следует ожидать, что для колебаний с максимумом электрического поля на поверхностях образца влияние отличия сферического волнового фронта от плоской поверхности образца должно быть больше, чем для колебаний с минимумом электрического поля на границах.
Как показано в работах [62-66] и [89-92], результаты измерения в открытом двухзеркальном резонаторе оказываются успешными с точки экспериментального выполнения. Образцы были поставлены в середине расстояния между зеркалами, измеренные резонансные частоты остаются либо постоянными для пустого и нагруженного образцом резонатора, когда одно из зеркал перемещается, либо исследуются изменением резонансных частот после ввода диэлектрического образца. В первой ситуации, обеспечивается стабилизация измеренных частот, хотя бы конструкция поля изменяется с расширением или уменьшением объема резонатора; в процессе перемещения зеркала не должны быть перекосы. Во второй ситуации, с определенными размерами резонатора [89-91], только определенные образцы, толщина которых кратна длине полуволны, приходятся к измерению. Это неудобно для процесса исследования и измерения какой-то группы образцов. С возможностью исследования на широкополосном спектре и необходимость исследования ряда образцов произвольно толщиной, приходится построить модель центрирования и перемещения образца вблизи центра резонатора и исчислять влияние параметров резонатора на точности измерения диэлектрических образцов.
1.5. Выводы
Проведенный аналитический обзор позволяет сделать следующие выводы.
1. Наиболее точным методом измерения свойств слабопоглощающих диэлектриков в КВЧ диапазоне является метод двухзеркального открытого резонатора со сферическими зеркалами. Метод открытого диэлектрического резонатора с колебаниями «шепчущей галереи» может быть применен в нижней части диапазона КВЧ для точного измерения диэлектрических потерь.