ИЗМЕРИТЕЛЬ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

ИЗМЕРИТЕЛЬ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
МАТЕРИАЛОВ НА СВЧ ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ ДО 420 С
В.Н. Егоров, М.В. Кащенко, В.Л. Масалов, Е.Ю. Токарева
Иркутск, Россия, 664056 ул. Бородина 57, Восточно-Сибирский филиал ФГУП «ВНИИФТРИ»
В статье описан измеритель диэлектрической проницаемости  и тангенса угла
диэлектрических потерь tg  на частоте вблизи 9 ГГц при нагреве образцов до 420 С без нагрева
измерительного резонатора. В приборе используется метод объёмного цилиндрического резонатора с
колебанием Н013 "при постоянной длине резонатора" (переменной частоте). Уточнена теория
измерительного резонатора, состоящего из трёх секций и крышек с различным поверхностным
сопротивлением, кольцевыми щелями и слюдяной перегородкой. Приведены расчётные соотношения для
определения  , tg  и технические характеристики измерителя.
Ключевые слова: диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери, измерительный
резонатор, СВЧ диапазон, температура.
I ВВЕДЕНИЕ
Разработка современных радиоэлектронных систем СВЧ диапазона для высокоскоростных
летательных аппаратов невозможна без знания диэлектрических параметров материалов, применяемых в
антенных обтекателях и других элементах, подвергающихся нагреву в условиях эксплуатации. Наиболее
точными и простыми в реализации являются резонансные методы измерения диэлектрической
проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь [1]. Температурные исследования диэлектриков
с помощью резонаторов имеют особенности [2], связанные, прежде всего, с необходимостью нагрева
образца и нежелательностью нагрева измерительного резонатора. Нагрев измерительного резонатора
является неизбежным, однако его степень может быть различной. В установках "Кварц", работающих до
1200 С, молибденовый Н01Р резонатор разогревается вместе с образцом до температуры измерения [3].
Метод измерения "при постоянной частоте" предполагает перемещение подвижного поршня для
восстановления резонансной частоты после введения образца в резонатор и точное измерение этого
перемещения. Неизбежные температурные расширения деталей резонатора при нагреве вносят
существенные погрешности в результат измерения. Собственная добротность резонатора существенно
падает при нагреве, что ухудшает возможности измерения малых диэлектрических потерь и увеличивает
погрешность измерения.
Установки без нагрева измерительного резонатора (преобразователя) используют
кратковременное внесение нагретого измеряемого образца в "холодный" резонатор или "пролет" образца
через измерительный резонатор [4]. Остывание образца и связанная с этим неопределенность его
температуры, переходные процессы в резонаторе, конечное время измерения резонансной частоты и
полосы пропускания резонатора также ограничивают точность измерения в таком подходе.
В диапазоне миллиметровых волн наибольшее применение нашли двухзеркальные резонаторы с
вогнутыми зеркалами сферической формы или плоским и сферическим. В таких резонаторах возможен
нагрев образца без нагрева зеркал резонатора, в частности с помощью инфракрасных прожекторов. В
диапазоне волн 3 см размеры зеркал получаются значительными, исследуемый образец также должен
иметь диаметр 15 см и более.
II Описание измерителя диэлектрических параметров
В данной статье рассматривается разработанный авторами измеритель диэлектрической
проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь на частоте вблизи 9 ГГц при нагреве образцов
до 420 С без нагрева измерительного резонатора. Прибор разработан на основе объёмного
цилиндрического резонатора с колебанием Н013 и использует наиболее распространенные дисковые
образцы диаметром 50 мм и высотой 2-3 мм. Основой прибора является объемный резонатор из инвара
с тепловой развязывающей секцией и верхней крышкой-нагревателем образца. Традиционное
расположение образца на нижней крышке-нагревателе упрощает конструкцию, однако такое
расположение нагревателя приводит к существенному разогреву всего резонатора за счет восходящих
конвективных потоков окружающего воздуха. Для уменьшения нагрева резонатора используется
нагреватель на верхней крышке резонатора, к которой прижимается образец.
В приборе используется метод объёмного цилиндрического резонатора "при постоянной длине
резонатора" (переменной частоте), не требующий механизма точного перемещения поршня с образцом.
1
Поверхностные токи колебания Н013 не имеют продольных составляющих, поэтому резонатор может
состоять из нескольких соосных секций одного диаметра, разделенных зазорами для тепловой развязки и
перемещения секции-кассеты с образцом при его вводе-выводе. Измерительный резонатор состоит из
трех секций: нижней инваровой длиной около двух полуволн, тонкостенной ребристой дюралюминиевой
секции-развязки длиной менее полуволны и короткой нагреваемой секции-кассеты. Между нижней
секцией и секцией-развязкой установлена тонкая слюдяная перегородка, препятствующая конвекции
воздуха и попаданию в резонатор частиц с исследуемого образца. Секция с образцом закреплена на
выдвигаемой из резонатора пружинной платформе из титана 0,5 мм, которая прижимает кассету к
верхней крышке-нагревателю из нержавеющей стали. Верхняя крышка-нагреватель закреплена на
перфорированной титановой пластине толщиной 3 мм, имеющей тепловую развязку от резонатора.
Трехсекционная конструкция резонатора с секциями и крышками из металлов с различным
поверхностным сопротивлением, кольцевыми щелями и слюдяной перегородкой потребовала уточнения
теории резонатора, в частности вывода нового соотношения для омической добротности неоднородного
резонатора и учета влияния перегородки на его частоту и добротность. Непригодность модели
резонатора с однородными (усредненными) по сопротивлению стенками связана с перераспределением
поля и поверхностных токов в резонаторе после введения образца. Поэтому наблюдаемое изменение
добротности при введении образца вызвано не только диэлектрическими потерями в нем, но и
перераспределением токов между секциями с разным поверхностным сопротивлением.
Диэлектрическая проницаемость измеряемого образца рассчитывается по формуле:
 c
  
 2  f 



2
 x  2  v11  2 
      ,
 t   a  
(1)
где:
c -скорость света, f  -резонансная частота резонатора с образцом, t - толщина образца,
v11  3.831706, a -радиус резонатора. Значение x находится из уравнения
 x 
h
  

h

x  arctg  tg arctg  2 tg arctg  3 tg h2 Ld   h3 d    h2 Lu  t     0 ,
 h3 
  
 h2

 h2 t 
(2)
2
h2  k 22  v11 a  , h3  k 32  v11 a  , ki  2f  c   i , Ld , Lu -расстояния до
слюдяной перегородки от нижней и верхней крышек резонатора соответственно, d -толщина
перегородки, индексы i  2,3 относятся к пустой части резонатора и перегородке соответственно.
2
где:
Тангенс угла диэлектрических потерь находится по формуле


tg  K 1E1 Q01  Q0T1 ,
(3)
K1E  W1E W - коэффициент заполнения резонатора, W1E , W - запасенная в образце энергия
электрического поля и полная энергия резонатора соответственно, Q0 , Q0T - собственная добротность
резонатора с образцом при температуре T и собственная добротность пустого резонатора при этой же
температуре,  -коэффициент изменения омических потерь в резонаторе с образцом за счет
где:
перераспределения поверхностных токов. При его расчете используются различные значения
поверхностного сопротивления в разных частях резонатора с образцом и без. Выражения для K1E и
 не приводятся ввиду их громоздкости. Способ их расчета изложен в работах [1],[5].
Результаты экспериментального исследования характеристик резонатора в диапазоне температур
приведены на рис. 1.
2
14000
9,07100
13500
Добротность
Резонансная частота, ГГц
9,07200
9,07000
9,06900
9,06800
9,06700
13000
12500
12000
11500
11000
10500
9,06600
0
50
100
150
200
Т, ˚С
250
300
350
400
450
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Т, ˚С
Рис. 1. Температурные зависимости резонансной частоты и добротности измерительного
резонатора
Из графиков рис.1 видно, что температурный коэффициент резонансной частоты (ТКЧ)
положителен и не превосходит 1,410-6 град-1. Положительный знак ТКЧ показал, что основной вклад
дает изменение длины резонатора (укорочение) за счет прогиба при нагреве перфорированной титановой
пластины, на которой закреплена верхняя крышка-нагреватель. Падение добротности резонатора при
нагреве вызвано ростом поверхностного сопротивления нагревающихся частей: верхней крышки,
кассеты и, в меньшей степени, дюралюминиевой секции-развязки. Многократное термоциклирование
резонатора во всем диапазоне температур показало хорошую воспроизводимость зависимостей
резонансной частоты и собственной добротности от температуры, которые были аппроксимированы
полиномом и введены в программное обеспечение прибора.
III Технические характеристики измерителя и экспериментальные данные
Резонатор с нагревателем, терморегулятор типа РТ-3 и вентилятор смонтированы в корпусе
(рис.2). Вентилятор предназначен для охлаждения инваровой секции резонатора, внутренняя
поверхность которой посеребрена. Прибор работает с измерителем модуля коэффициента передачи и
отражения (скалярным анализатором цепей) типа Р2М-18 и имеет следующие технические
характеристики:
Рабочая частота, ГГц ………………………………….9,1…9,0
Диапазон измеряемых значений  ……………….от 2 до 10
Диапазон измеряемых значений tg  ……………от 10 -4 до 210 -2
Диапазон температур измерения, С………………от +15 до +420
Диаметр образцов, мм…………………………………..49,50,2
Толщина образцов, мм………………………………….2,5 0,5
Погрешность по  , %, не более ……………………….2
Погрешность по tg  , % .…………………………..от 10 до 30 в зависимости от tg 
Точность поддержания температуры, не более, С……3
Габариты, мм……………………………………….……300х150х250
Масса (без Р2М-18), кг…………………………….……3
Потребляемая мощность, не более, Вт………………..300
В комплект входит программное обеспечение, реализующее расчеты по (1)-(3), и набор стандартных
образцов диэлектрических параметров для калибровки измерителя.
3
Рис. 2. Фото прибора со снятым корпусом
С помощью разработанного прибора проведены измерения диэлектрических характеристик
образцов из материала ТСПК на основе стеклопластика. На рис. 3 приведены зависимости  и tg  .
3,80
0,0090
3,70
0,0080
3,60
0,0070
tgδ
ε
3,50
3,40
0,0060
0,0050
3,30
0,0040
3,20
0,0030
3,10
0,0020
3,00
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Т, ˚С
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Т, ˚С
Рис. 3. Температурные зависимости диэлектрических параметров образца из материала ТСПК
Снижение tg  при нагреве связано, вероятно, с испарением воды из образцов, имеющих заметную
гигроскопичность.
Литература
[1] Егоров В.Н. Резонансные методы исследования диэлектриков на СВЧ//ПТЭ, 2007, №2, с.5-38.
[2] Воробьев Е.А., Михайлов В.Ф., Харитонов А.А. СВЧ- диэлектрики в условиях высоких температур.
М.: Сов. радио, 1977, с.208.
[3] Батура В.Г., Моисеев В.К. Рыбалка Н.В. Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ, 1974, №1,
с.66.
[4] Полонский Ю.А., Мишин В.Б., Бернштейн Р.С., Смыслов Ю.И. Определение диэлектрических
характеристик материалов в диапазоне сверхвысоких частот при температуре до 2300 К.// Теплофизика
высоких температур, 1989, т.27, № 3, с.499-505.
[5] Егоров В.Н., Кащенко М.В. Измерение малых диэлектрических потерь в объемном резонаторе//
Измерительная техника, 2002, №1, с 61-65.
4
Виктор Н. Егоров в 1972 г. закончил физический факультет Иркутского Государственного университета
по специальности радиофизика и электроника. В 1985 г. защитил диссертацию на степень кандидата
технических наук в Московском энергетическом институте. В настоящее время является директором
Восточно-Сибирского филиала ФГУП «ВНИИФТРИ» г. Иркутск. Его научные интересы связаны с
измерениями параметров диэлектриков на СВЧ, высокодобротными резонансными системами и
микроволновыми малошумящими генераторами.
Маргарита В. Кащенко в 1963 г. закончила приборостроительный факультет Новосибирского
электротехнического института по специальности электронные приборы. В настоящее время работает
заведующей лабораторией диэлькометрии отдела радиотехнических измерений Восточно-Сибирского
филиала ФГУП «ВНИИФТРИ» г. Иркутск. Имеет звание Заслуженный метролог РФ. Её научные
интересы связаны с исследованием диэлектрических свойств материалов, разработкой стандартных
образцов диэлектрических параметров.
Владимир
Л. Масалов в 1967 г. закончил инженерно-физический факультет Новосибирского
электротехнического института по специальности электрофизика. В настоящее время работает
начальником отдела радиотехнических измерений Восточно-Сибирского филиала ФГУП «ВНИИФТРИ»
г. Иркутск. Его научные интересы связаны с микроволновой техникой, малошумящими генераторами
СВЧ диапазона и измерениями параметрами диэлектриков.
Елена Ю. Токарева в 1976 г. закончила электрофизический факультет Ленинградского
электротехнического института по специальности диэлектрики и полупроводники. В настоящее время
является старшим научным сотрудником отдела радиотехнических измерений Восточно-Сибирского
филиала ФГУП «ВНИИФТРИ» г. Иркутск. Её научные интересы связаны с измерениями параметров
диэлектриков на СВЧ, исследованиями параметров резонансных систем.
5