УДК 621.315.61

Волноводный метод измерений электромагнитных параметров материалов в СВЧ диапазоне и оценка погрешности измерений

 

М. П. Пархоменко, Д. С. Калёнов, И. С. Ерёмин, Н. А.Федосеев, В. М. Колесникова, Ю. Л. Баринов

Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, 141120, Московская область, Фрязино, пл. академика Введенского, 1

 

Статья поступила в редакцию 31 августа 2018 г.

 

Аннотация. Для определения электромагнитных параметров материалов (комплексной диэлектрической и магнитной проницаемостей) широко используются резонаторный и волноводный методы, а также метод свободного пространства. Рассмотрен волноводный метод, который позволяет определять параметры материалов в широкой полосе частот. Но существует ряд причин, которые существенно ограничивают применение этого метода. Современная измерительная аппаратура строится на базе прямоугольного металлического волновода, в котором распространяется волна Н₁₀. При заполнении волновода исследуемым материалом практически всегда присутствует воздушный зазор между исследуемым образцом и широкой стенкой волновода, что приводит к резкому скачку напряженности электрического поля при переходе из материала образца в воздух и сильно влияет на точность определения электромагнитных параметров. Особенно это проявляется при измерении материалов с большим значением действительной составляющей комплексной диэлектрической проницаемости. В данной работе представлены результаты численного эксперимента при определении комплексной диэлектрической проницаемости диэлектриков волноводным методом в сантиметровом и миллиметровом диапазонах. Расчеты проводились для материалов со значением действительной составляющей комплексной диэлектрической проницаемости ε₁ = 10 и тангенсами угла диэлектрических потерь tgδ, равными 0,1 – 0,2. Показано, что даже незначительный воздушный зазор между образцом и широкой стенкой волновода вносит существенную погрешность в результаты измерений. Для уменьшения этой погрешности и расширения возможностей измерений волноводного метода предлагается заполнять воздушный промежуток электропроводящей пастой. Проведено сравнение результатов расчетов при наличии воздушного зазора и при заполнении его проводящей пастой. Так, в миллиметровом диапазоне для материала с исходными параметрами ε₁ = 10, tgδ = 0,1 при наличии воздушного зазора шириной 0,1 мм максимальная погрешность при определении ε₁ составляла 5,5 % и 11 % для tgδ. В случае же заполнения этого зазора указанной пастой она уменьшилась до 0,5 % как для ε₁, так для tgδ.

Ключевые слова: комплексная диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь, волноводный метод, электропроводящая паста.

Abstract. Resonator and waveguide methods, as well as the free-space method, are widely used to determine the electromagnetic parameters of materials (complex permittivity and permeability). Here a waveguide method is considered that allows one to determine the parameters of materials in a wide frequency range. However, there are a number of factors that significantly restrict the application of this method. Modern measurement equipment is based on a rectangular metal waveguide in which the Н₁₀ mode propagates. When the waveguide is filled with a material to be investigated, there always exists an air gap between the sample and the wide wall of the waveguide, which leads to a sharp jump in the electric field strength at the boundary between the material of the sample and air and strongly affects the accuracy in determining the electromagnetic parameters. This factor is especially manifest when measuring materials with large value of the real part of the complex permittivity. In the paper, the results of a numerical experiment are presented on the determination of complex permittivity by the waveguide method in the centimeter and millimeter ranges. Calculations are carried out for materials with real part of permittivity ε₁ = 10 and tangent loss of tanδ 0.1–0.2. It is shown that even a small air gap between a sample and the broad wall of the waveguide leads to a jump in the electric field strength when passing from the material to air and introduces a significant error to the results of measurements. To reduce this error and enhance the possibilities of the waveguide method, it is proposed that this gap be filled with electrically conducting paste. The results of calculations in the presence of a gap and when the gap is filled with the electrically conducting paste are compared. For example, for a material with ε₁ = 10 and tangent loss of tanδ 0.1, the maximum error of measurements in the millimeter-wave range in the presence of a gap of 0.1 mm is 5.5% for ε₁ and 11 % for tanδ. When the gap is filled with the paste, this error reduces to 0.5% for both ε₁ and tanδ.

Key words: complex permittivity, tangent loss, waveguide method, electrically conducting paste.

 

Для цитирования:

М. П. Пархоменко, Д. С. Калёнов, И. С. Ерёмин, Н. А. Федосеев, В. М. Колесникова, Ю. Л. Баринов. Волноводный метод измерений электромагнитных параметров материалов в СВЧ диапазоне и оценка погрешности измерений. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2018. № 9. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/sep18/6/text.pdf

DOI 10.30898/1684-1719.2018.9.6