Экспериментальная установка для определения диэлектрических и магнитных параметров материалов резонаторным методом

Внедрение: 2013 г.

В статье ученых из ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН и МГТУ им. Н.Э. Баумана [1] приведено описание экспериментальной установки для определения диэлектрической и магнитной проницаемостей вещества в миллиметровом диапазоне длин волн с применением АЦП E14‑140.  

Экспериментальная установка построена на базе панорамного измерителя Р2‑65, который работает в диапазоне частот 26...37,5 ГГц. Сечение волноводного тракта составляет 7,2 x 3,4 мм. В установке используются стандартные волноводные секции, направленные ответвители, детекторные головки и ферритовый вентиль. Для расширения функциональных возможностей и автоматизации процесса измерений в состав установки введены модуль аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и компьютер. Структурная схема установки изображена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема установки: 1 – генератор качающейся частоты (ГКЧ); 2 – ферритовый вентиль; 3 – направленный ответвитель и детекторная головка падающей мощности; 4 – направленный ответвитель и детекторная головка отраженной мощности; 5 – резонатор, в который помещается исследуемый образец; 6 – индикаторный блок Я2Р-67; 7 – двухканальный согласующий усилитель; 8 – модуль АЦП L‑Card E14‑140; 9 – компьютер.

Установка работает следующим образом: ГКЧ 1 генерирует СВЧ-сигнал, модулированный частотой 100 кГц, который по волноводному тракту подается на измерительный резонатор 5. Измерения основаны на выделении посредством направленных ответвителей с установленными на них детекторными головками сигналов, пропорциональных падающей на резонатор и отраженной от резонатора мощностей СВЧ. Затем эти сигналы подаются на индикаторный блок Я2Р‑67 6, на экране которого отображается резонансная зависимость коэффициента отражения от частоты. Одновременно сигнал подается через усилитель 7 на блок АЦП 8. Далее оцифрованный сигнал с АЦП подается в компьютер 9, где с помощью специальной программы, написанной в среде LabView, происходят обработка, хранение и отображение сигнала на мониторе компьютера.

Резонатор включает в себя отрезок стандартного прямоугольного волновода длиной 24,3 мм с металлической закороткой с одной стороны и индуктивной диафрагмой с другой. На этой длине резонатора укладывается три полуволны (т.е. p = 3). В нашем случае при измерении диэлектрических параметров образец в виде цилиндрической трубки помещается через просверленное в резонаторе отверстие диаметром 1 мм в пучность электрического поля (рисунок 2).
 

Рисунок 2. Размещение образца в резонаторе при измерении диэлектрических параметров (тип колебаний H103).

При измерении магнитных параметров образец в виде тонкой пластинки размещается на торце резонатора в пучности магнитного поля (рисунок 3).

Рисунок 3. Размещение образца в резонаторе при измерении магнитных параметров (тип колебаний H103).

В качестве примера в статье приведены результаты исследования диэлектрических и магнитных параметров нанопорошка мультиферроика. На рисунке 4 слева приведена зависимость коэффициента отражения от частоты измерительного резонатора без образца, а справа — эта же зависимость для резонатора с образцом, помещенным в пучность электрического поля.

Рисунок 4. Зависимость коэффициента отражения от частоты измерительного резонатора без образца (слева) и зависимость коэффициента отражения резонатора с образцом, помещенным в пучность электрического поля, от частоты (справа).

С использованием выведенных в статье теоретических соотношений рассматриваемого резонаторного метода определения характеристик вещества были вычислены действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости, а также действительная и мнимая части магнитной проницаемости исследуемого вещества. 

В статье отмечено, что данный резонаторный метод обладает высокой чувствительностью и позволяет измерять относительно малые потери и разделить потери в веществе на диэлектрические и магнитные. Проведенная в статье оценка погрешности измерений не превышает шести процентов.
 

Источник:
Пархоменко М.П., Калёнов Д.С., Абакумов Ю.Ф. Резонаторный метод для определения диэлектрических и магнитных параметров материалов и экспериментальная установка на его основе в миллиметровом диапазоне длин волн // Электронная техника. Серия I. СВЧ-техника: научно-технический сборник. – 2013. – Вып. 2 (517). – С. 43-57.

Разработчик: Пархоменко М.П. и Калёнов Д.С.(ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН), Абакумов Ю.Ф. (МГТУ им. Н.Э. Баумана)