6.1.2. Методы измерений в свободном пространстве и в линии передачи

Методы измерений характеристик диэлектрических материалов в свободном пространстве основываются в основном на использовании приборов оптического типа и применялись, например, в самых первых измерениях жидкостей [48, 66].

Рис. 6. 2. Измерения характеристик диэлектриков в свободном пространстве: а — поглощение при прохождении; отражение при наклонном падении; в — отражение при нормальном падении.

Можно проводить измерения длины волны и поглощения в материалах, выражая результаты в значениях пик. Методика Сакстона и Лейна [228] показана на рис. 6.2, а; коэффициент поглощения измеряется непосредственно. Этот метод удобен только для изучения материалов с высокими потерями [49], так как если толщина материала достаточно велика, чтобы устранить многократные отражения, то потери будут пропорциональны толщине. Если изменение толщины от до уменьшает потери на то, предполагая, что распространяется плоская волна, имеем

На миллиметровых волнах эти методы передачи можно сочетать с интерферометрическими методами [47], описанными в гл. 13.

Вместо этого может быть измерен коэффициент отражения у поверхности материала. В устройстве, показанном на рис. 6.2, б, угол падения составляет около 45°. Необходимо вначале удостовериться, что расстояние по прямой между передатчиком и приемником достаточно велико и амплитуда поля изменяется обратно пропорционально расстоянию, после чего можно проводить измерения этого поля в точках расположения передатчика и приемника, лежащих точно на одном уровне. Затем обе антенны поворачивают к поверхности жидкости под соответствующими углами так, чтобы получилось зеркальное отражение, и поле в точке расположения приемника определяется еще раз.

Рис. 6.3. Измерения характеристик диэлектриков в волноводах: а — элемент поглощения для газов; б - граничное отражение для твердых тел; в — граничное отражение для жидкостей. (См. [222] и [210].)

При вычислении коэффициента отражения принимается во внимание увеличение длины пути в соответствии с законом обратной квадратичной зависимости и вносится поправка на небольшие побочные отражения. Более удобным методом является метод, показанный на рис. 6.2, в; при нормальном падении волны измерения могут проводиться с одной антенной при условии, что отраженная мощность определяется в значениях стоячей волны, возникающей в фидерной линии, или что применяется одна из пассивных дуплексных схем, описанных в разделе 18.1.1.

Методы измерений в линии передачи [179, 180] основываются на изменениях фазы и (или) амплитуды стоячей (или бегущей) волны, возникающих при наличии диэлектрика. Для измерения свойств газов пригоден, например, следующий метод [129, 252]. Отрезок I линии передачи, например, прямоугольного волновода с колебаниями вида заключается между неотражающими окнами (рис. 6.3, а). Полученный таким образом элемент откачивается, и

дальний конец волновода замыкается накоротко, в минимуме стоячей волны на входе волновода помещается зонд. Затем вводится исследуемый газ и замечается последующее смещение положения минимума. Если полное наблюдаемое смещение, то, если можно легко показать, что

Важно, чтобы генератор был стабилизирован по частоте и хорошо согласован с линией передачи.

Свойства диэлектрика можно определить из измерений, проведенных на поверхности раздела с воздухом; пример прибора для измерения свойств твердого тела показан на рис. 6.3, б. Если есть фазовый сдвиг при отражении, то

а для случая нормального падения согласно закону Френеля

Из определения КСВН на входе линии уравнение (2.12) дает

Если первый минимум в картине стоячей волны находится на расстоянии от поверхности раздела, то

Коэффициент передачи напряжения дается формулой

Измерения могут быть выполнены в коаксиальной линии [47, 156] или в волноводе [56]. По известному методу Робертса и Хиппеля [222] часть волновода, короткозамкнутого на конце, заполняется исследуемым материалом. Пользуясь обозначениями на рис. 6.3, б, получим

откуда для колебаний типа ТЕ в волноводе теория раздела 1.5.3 дает

Далее

что вместе с привлечением уравнений (6.12), (6.13) и (6.15) дает

где можно определить из уравнения (6.20) графическими методами [77, 219, 235], что позволяет вычислить из уравнения (6.17), а отсюда из уравнения (6.18).

Для материалов с высокими потерями тогда как для материалов с низкими потерями будет чисто реактивным. В последнем случае расчет графическим методом может быть выполнен весьма быстро [46]. В современном варианте [97] этого метода измеритель стоячих волн заменяется на автоматический измеритель импеданса. В этом случае измеряется коэффициент отражения, а шкалы пересчитывают так, чтобы можно было перейти к значениям диэлектрической проницаемости.

Чтобы улучшить точность измерений характеристик материалов с большими потерями, Полей [210, 211] предложил для жидкостей метод измерения, показанный на рис. 6.3, в. Испытуемый образец находится в запаянной секции волновода, заканчивающегося короткозамыкающим поршнем, который перемещается с помощью микрометрической головки. Подобная техника предусматривает использование оконечного поршня холостого хода [75]. Эти методы предполагают построение графика КСВН в функции длины Полученная кривая дает последовательность максимумов и стремится к предельному значению по мере возрастания параметра чем больше потери в жидкости, тем короче столбик жидкости. Расстояние между минимумами кривой постоянно и равно, с высокой степенью точности, Если модифицированный тангенс угла потерь определяется как

то можно показать, что

Если значения соответственно для максимумов, то с очень хорошим приближением

и

Уравнения (6.23) и (6.24) можно использовать для получения семейства кривых, по которому можно отсчитать для любого измеренного значения КСВН; тогда составляющие комплексной диэлектрической проницаемости даются формулами

Другой метод, пригодный для измерений характеристик жидкостей с большими потерями, заключается [70] в определении (или ) из измерений затуханий в двух волноводах с различными предельными длинами волн и

Рис. 6. 4. Измерение методом моста с использованием линии передачи: а — схема с двойным волноводным тройником; б - график См. [192].)

Если и два коэффициента поглощения, полученные таким образом, то

Измерения удобно проводить в круглых волноводах, и если радиус первого из них лишь немногим превышает предельное значение, когда волновод заполнен жидкостью, а радиус второго волновода сделан большим по сравнению со значением предельной волны, то уравнения (6.27) и (6.28) дают

Метод основан на измерении затухания, и для этой цели пригодны как предельные аттенюаторы, так и аттенюаторы с вращающейся пластинкой. Балансные или мостиковые схемы вида двойного тронника применимы на частотах [122] порядка но выше этой частоты следует использовать линии передачи, при этом коэффициент распространения в диэлектрической среде измеряется непосредственно. Такие устройства могут выполняться частично на основе коаксиальной линии [54, 55, 304] или, как показано на рис. 6.4, а, на основе волновода. Присоединение ко входу и выходу моста осуществляется через гибридные Т-образные схемы [20]; в одном плече моста находится исследуемый образец, в другом — калиброванный фазовращатель и аттенюатор. Эти приборы регулируются до достижения баланса, и замечается разность в отсчетах, обусловленная присутствием образца; если она равна соответственно то

Уравнение (6.30) представлено в графическом виде на рис. 6.4, б. Этот метод применим также только для материалов с большими потерями.