Радиоволновая диэлектрометрия с использованием геометро-фазового сканирования
Описан метод измерения величины диэлектрической проницаемости диэлектрических материалов в диапазоне миллиметровых электромагнитных волн с использованием излучателя с геометро-фазовым сканированием, представляющего собой антенну поверхностных волн с кусочно-линейным фазовым распределением возбуждающ...
Збережено в:
| Дата: | 2007 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
2007
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10851 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Радиоволновая диэлектрометрия с использованием геометро-фазового сканирования / Н.Л. Евич // Радіофізика та електроніка. — 2007. — Т. 12, № 3. — С. 482-488. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-10851 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Евич, Н.Л. 2010-08-09T10:18:40Z 2010-08-09T10:18:40Z 2007 Радиоволновая диэлектрометрия с использованием геометро-фазового сканирования / Н.Л. Евич // Радіофізика та електроніка. — 2007. — Т. 12, № 3. — С. 482-488. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10851 620.179 Описан метод измерения величины диэлектрической проницаемости диэлектрических материалов в диапазоне миллиметровых электромагнитных волн с использованием излучателя с геометро-фазовым сканированием, представляющего собой антенну поверхностных волн с кусочно-линейным фазовым распределением возбуждающих ее полей, величина плеч которой меняется в процессе сканирования. Теоретически и экспериментально показана возможность решения обратной задачи - определения величины комплексной диэлектрической проницаемости с использованием метода глобальной минимизации. Описано метод виміру величини діелектричної проникності діелектричних матеріалів у діапазоні міліметрових електромагнітних хвиль з використанням випромінювача з геометро-фазовим скануванням, що уявляє собою антену поверхневих хвиль з кусочно-лінійним фазовим розподілом збуджуючих її полів, величина пліч якої міняється в процесі сканування. Теоретично й експериментально показана можливість рішення зворотної задачі - визначення величини комплексної діелектричної проникності з використанням методу глобальної мінімізації. The method of dielectric materials permittivity value measuring in the range of millimeter electromagnetic waves with use of the antenna with geometric-phase scanning representing a surface wave antenna with piecewise linear phase distribution of fields, which exciting it's shoulders while value of shoulders varies during scanning is offered. Theoretically and experimentally demonstrated the opportunity of the solution of a return problem, definition of quantity of a complex permittivity with use of a global minimization method is shown. В заключение автор считает своей приятной обязанностью выразить искреннюю признательность профессору С. А. Масалову за помощь и ценные замечания, высказанные в процессе обсуждения работы. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Электродинамика СВЧ Радиоволновая диэлектрометрия с использованием геометро-фазового сканирования Радіохвильова діелектрометрія з використанням геометро-фазового сканування Radiowave dielectrometry with use of geometric-phase scanning method Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Радиоволновая диэлектрометрия с использованием геометро-фазового сканирования |
| spellingShingle |
Радиоволновая диэлектрометрия с использованием геометро-фазового сканирования Евич, Н.Л. Электродинамика СВЧ |
| title_short |
Радиоволновая диэлектрометрия с использованием геометро-фазового сканирования |
| title_full |
Радиоволновая диэлектрометрия с использованием геометро-фазового сканирования |
| title_fullStr |
Радиоволновая диэлектрометрия с использованием геометро-фазового сканирования |
| title_full_unstemmed |
Радиоволновая диэлектрометрия с использованием геометро-фазового сканирования |
| title_sort |
радиоволновая диэлектрометрия с использованием геометро-фазового сканирования |
| author |
Евич, Н.Л. |
| author_facet |
Евич, Н.Л. |
| topic |
Электродинамика СВЧ |
| topic_facet |
Электродинамика СВЧ |
| publishDate |
2007 |
| language |
Russian |
| publisher |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Радіохвильова діелектрометрія з використанням геометро-фазового сканування Radiowave dielectrometry with use of geometric-phase scanning method |
| description |
Описан метод измерения величины диэлектрической проницаемости диэлектрических материалов в диапазоне миллиметровых электромагнитных волн с использованием излучателя с геометро-фазовым сканированием, представляющего собой антенну поверхностных волн с кусочно-линейным фазовым распределением возбуждающих ее полей, величина плеч которой меняется в процессе сканирования. Теоретически и экспериментально показана возможность решения обратной задачи - определения
величины комплексной диэлектрической проницаемости с использованием метода глобальной минимизации.
Описано метод виміру величини діелектричної проникності діелектричних матеріалів у діапазоні міліметрових електромагнітних хвиль з використанням випромінювача з геометро-фазовим скануванням, що уявляє собою антену поверхневих хвиль з кусочно-лінійним фазовим розподілом збуджуючих її полів, величина пліч якої міняється в процесі сканування. Теоретично й експериментально показана можливість рішення зворотної задачі - визначення величини комплексної діелектричної проникності з використанням методу глобальної мінімізації.
The method of dielectric materials permittivity value measuring in the range of millimeter electromagnetic waves with use of the antenna with geometric-phase scanning representing a surface wave antenna with piecewise linear phase distribution of fields, which exciting it's shoulders while value of shoulders varies during scanning is offered. Theoretically and experimentally demonstrated the opportunity of the solution of a return problem, definition of quantity of a complex permittivity with use of a global minimization method is shown.
|
| issn |
1028-821X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10851 |
| citation_txt |
Радиоволновая диэлектрометрия с использованием геометро-фазового сканирования / Н.Л. Евич // Радіофізика та електроніка. — 2007. — Т. 12, № 3. — С. 482-488. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT evičnl radiovolnovaâdiélektrometriâsispolʹzovaniemgeometrofazovogoskanirovaniâ AT evičnl radíohvilʹovadíelektrometríâzvikoristannâmgeometrofazovogoskanuvannâ AT evičnl radiowavedielectrometrywithuseofgeometricphasescanningmethod |
| first_indexed |
2025-11-27T03:05:14Z |
| last_indexed |
2025-11-27T03:05:14Z |
| _version_ |
1850795952997138432 |
| fulltext |
__________
ISSN 1028-821X Радиофизика и электроника, том 12, № 3, 2007, с. 482-488 © ИРЭ НАН Украины, 2007
УДК 620.179
РАДИОВОЛНОВАЯ ДИЭЛЕКТРОМЕТРИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ГЕОМЕТРО-ФАЗОВОГО СКАНИРОВАНИЯ
Н. Л. Евич
Институт проблем машиностроения НАН Украины,
2/10, ул. Дм. Пожарского, Харьков, 61046, Украина
E-mail: admi@ipmach.kharkov.ua
Описан метод измерения величины диэлектрической проницаемости диэлектрических материалов в диапазоне милли-
метровых электромагнитных волн с использованием излучателя с геометро-фазовым сканированием, представляющего собой ан-
тенну поверхностных волн с кусочно-линейным фазовым распределением возбуждающих ее полей, величина плеч которой меняет-
ся в процессе сканирования. Теоретически и экспериментально показана возможность решения обратной задачи - определения
величины комплексной диэлектрической проницаемости с использованием метода глобальной минимизации. Ил. 6. Табл. 1. Библи-
огр.: 11 назв.
Ключевые слова: поверхностные волны, диэлктрическая проницаемость.
Суть радиоволновых методов неразру-
шающего контроля заключается в определении
электрофизических и геометрических парамет-
ров объекта контроля по характеристикам рас-
сеянного контролируемой структурой электро-
магнитного поля, т. е. фактически сводится к
решению обратной задачи теории рассеяния. В
общем случае вычислительная задача подобного
рода является некорректной, поскольку может
не отвечать требованиям математической опре-
деленности (требованию существования реше-
ния и его единственности) и физической детер-
минированности (требованию устойчивости
решения) 1 . Однако, задача может быть ус-
пешно решена при условии использования до-
полнительной информации о поведении реше-
ния. В частности, когда такая информация но-
сит количественный характер, в случае, когда
априори известны границы изменения ожидае-
мых значений контролируемых параметров,
имеется возможность сузить класс возможных
решений до компактного множества. В резуль-
тате компактизации решение становится одно-
значным, а задача - устойчивой к малым изме-
нениям исходных данных. При этом поиск ре-
шения обратной задачи может быть осуществ-
лен, например, с помощью введения некоторой
целевой функции, характеризующей разность
между экспериментально измеренными значе-
ниями и значениями, полученными прямым
расчетом математической модели объекта кон-
троля для некоторого набора параметров. Такой
функцией может быть отклонение эксперимен-
тальных результатов от точного решения, оце-
ненное, например, в квадратичной метрике, как
сделано в 1 . В случае, когда эксперименталь-
ные результаты представлены в виде ряда дис-
кретных значений, такой квадратичный функ-
ционал естественно выбрать в виде 2 :
2
exp
1
, , ,
N
t n n
n
T P T P
(1)
где Tt и Texp - функции, рассчитанные аналитиче-
ски и полученные в результате измерений соот-
ветственно; P
- вектор параметров, подбором ко-
торых минимизируется квадратичный функционал
Ф; n - набор параметров, в диапазоне изменения
которых производятся измерения.
Под n-м измерением подразумевается
каждое отдельное измерение, осуществляемое
при различных условиях (при различных часто-
тах, углах падения, различных геометрических
параметрах излучателя и т. п.). При этом соответ-
ствующие им nt PT ,
рассчитываются при тех
же условиях, при которых проводятся измерения
nPT ,exp
, а значения неизвестных (искомых)
параметров исследуемой структуры P
выбира-
ются в пределах предполагаемого диапазона их
изменения. Задача заключается в поиске каким-
либо математическим способом таких значений
неизвестных величин, при которых целевая
функция Ф обращается в нуль. Сведение к нулю
целевой функции в процессе расчета посредством
соответствующего подбора параметров будет
означать, что найден такой их набор, который
соответствует экспериментально измеренным
значениям. Однако, неабсолютная адекватность
физико-математической модели контролируемой
структуры и погрешности, возникающие в про-
цессе измерений и расчетов, на практике не по-
зволяют свести целевую функцию к нулю. По-
этому фактически целевая функция представляет
собой функцию ошибки, которую необходимо
минимизировать.
Для конкретных задач в зависимости от
их специфических особенностей естественно ис-
пользовать функции ошибок разного вида, по-
этому выбор функции ошибок и методик ее ми-
нимизации может быть осуществлен различными
способами 2-6 .
Н. Л. Евич / Радиоволновая диэлектрометрия с использованием…
_________________________________________________________________________________________________________________
483
Настоящее исследование ставило сле-
дующие основные цели:
обосновать существование, единствен-
ность и устойчивость решения обратной задачи
радиоволновой диэлектрометрии с использовани-
ем геометро-фазового сканирования;
численно и с помощью натурных экспери-
ментов проиллюстрировать существование детер-
минированного решения обратной задачи радио-
волновой диэлектрометрии с использованием из-
лучателя с геометро-фазовым сканированием;
с помощью численного моделирования
проанализировать зависимости погрешностей
измерения величины действительной части ди-
электрической проницаемости и тангенса угла
диэлектрических потерь от погрешностей опре-
деления входных параметров и шумов измери-
тельного тракта.
1. Постановка задачи. Геометро-фазовое
сканирование - это способ формирования зонди-
рующего поля в объекте контроля двуплечевым
излучателем поверхностных волн путем одно-
временного изменения величины плечей антенны
и разности фаз полей в плечах, пропорционально
их длине. Решение задачи радиоволновой диэлек-
трометрии с использованием излучателя с гео-
метро-фазовым сканированием, схематически
представленным на рис. 1, рассматриваются на
следующей модели.
Контролируемый изотропный, однород-
ный, магнитонеактивный ( = 1) диэлектрик 1 с
диэлектрической проницаемостью ( ', tg ), где
' - ее действительная часть; tg - тангенс угла
диэлектрических потерь, имеет прямой двугран-
ный угол, одна грань которого закрыта металли-
ческим рефлектором 2, а другая возбуждается
отрезком диэлектрического волновода 3 пере-
менной длины, расположенного параллельно гра-
ни, с возможностью измерения величины отрезка
d, находящегося над гранью, также закрытого
рефлектором 4. При этом расстояние h от по-
верхности волновода до поверхности открытой
грани выбирается так, чтобы коэффициент отбора
по мощности, оценивавшийся по амплитуде от-
раженной волны с помощью направленного от-
ветвителя 6 не превышал 1-5% 7 . Поле, возбуж-
даемое таким излучателем в контролируемом
диэлектрике, принимается дипольным приемни-
ком 5, расположенным под углом , отсчитывае-
мым от плоскости открытой грани, на расстоянии
R от вершины двугранного угла.
h
d
1
2
3
4
R
5
6
Рис. 1. Излучатель с геометро-фазовым сканированием
Для вычисления квадрата модуля ампли-
туды принимаемого сигнала используем выраже-
ние, полученное в 8 , где приведено решение
прямой задачи:
___________________________________________
2
0 0
000
2
0 0
0
2 2 1 2 cos 1
0
2
0
0 04
0
2 1 2 cos 1
0
( , , , , , )
1 2 cos
1
Rdi d i
R R
R
i
R R
e e
F R d
d
R R
e
2
04 2 cos
R R
(2)
___________________________________________
где 0 - длина волны в свободном пространстве;
- коэффициент замедления диэлектрического
волновода, вводимый как = в/ 0; в - длина вол-
ны в диэлектрическом волноводе; - относитель-
ная диэлектрическая проницаемость контроли-
руемого материала, которая в общем случае явля-
ется комплексной величиной. При принятой зави-
симости от времени ,E H
i te для диэлектри-
ческой проницаемости имеем (1 tg )i ,
где tg - тангенс угла диэлектрических потерь.
Н. Л. Евич / Радиоволновая диэлектрометрия с использованием…
_________________________________________________________________________________________________________________
484
Контролируемая структура может быть
исчерпывающим образом охарактеризована век-
тором параметров , tgp
. Естественными
ограничениями на электрофизические параметры
и tg будут
min max min max; tg tg tg , (3)
где min max, и min maxtg , tg - нижние и
верхние границы возможного изменения величи-
ны действительной части относительной диэлек-
трической проницаемости и тангенса угла ди-
электрических потерь контролируемого диэлек-
трика соответственно.
Таким образом, получаем компакт p P
в евклидовом пространстве E
2
. В процессе гео-
метро-фазового сканирования по d от 0 до dmax
(0
dn
dmax) измеряется величина exp , nT p d
,
которая сопоставляется с ,t nT p d
, вычислен-
ной теоретически по выражению (2). С учетом
того, что непосредственному измерению досту-
пен квадрат модуля коэффициента прохождения,
величину ,t nT p d
запишем в виде
2 2
0, , , , , ,t n nT p d F R d d
. (4)
Множитель d
2
введен для учета измене-
ния коэффициента отбора мощности за счет уве-
личения площади взаимодействия диэлектриче-
ского волновода и образца в процессе геометро-
фазового сканирования. С учетом (4) целевая
функция может быть записана в виде
2
exp
1
, ,
N
t n n
n
T p d T p d
. (5)
Искомые параметры p
определяют по
положению глобального минимума функции Ф.
Можно утверждать, что:
– комплексный коэффициент прохожде-
ния dpT ,
через рассматриваемую контроли-
руемую структуру однозначно определяет ее
электрофизические параметры;
– если множество возможных решений P
обратной задачи есть компакт (замкнутое ограни-
ченное множество) в пространстве E
2
и целевая
функция Ф является непрерывной на множестве
P, то глобальное решение обратной задачи мето-
дом минимизации целевого функционала Ф су-
ществует 2 .
Существование и единственность реше-
ния обратной задачи радиоволновой диэлектро-
метрии с использованием метода геометро-
фазового сканирования иллюстрируется путем
численного моделирования и подтверждается
экспериментальными исследованиями.
2. Экспериментальные исследования.
Экспериментальные исследования проводились в
миллиметровом диапазоне электромагнитных
волн ( 0 = 3,9713 3,97 10
-3
мм) на образце, изго-
товленном из плексигласа, размерами
150 150 40 мм. Коэффициент замедления ди-
электрического волновода = 0,7745 7,7 10
-4
,
являющегося элементом излучателя, вычислялся
по записи картины стоячей волны, существую-
щей в волноводе, по которой определялась в.
Представленные экспериментальные данные со-
ответствуют расстоянию от вершины излучателя
до точки съема R 17,5 0, при этом угол выби-
рался в районе максимума диаграммы направлен-
ности излучателя ( 36 ), в наиболее предпоч-
тительной с энергетической точки зрения области
и измерялся с точностью 7,5 мин.
Алгоритм определения величины ' и tg
состоит из следующих этапов:
– формирование одномерного массива экс-
периментальных значений exp , nT p d
;
– вычисление двумерных массивов в цик-
лах по ' и tg , tg ,t l m nT d ;
– вычисление двумерного массива целевой
функции Ф, соответствующего массивам вход-
ных данных 'l, tg m;
– определение методом последовательных
уточнений величин ' и tg , соответствующих
минимуму целевой функции Ф.
Для вычисления целевой функции Ф,
exp , nT p d
и nmlt dT ,tg, использовались
выборки их 101 значения (n = 100) Texp и Tt, соот-
ветствующих различным dn, изменяющимся в
диапазоне 0 (dn / 0) 5, рассчитанных для ве-
личин ' и tg , меняющихся в диапазоне (3). По-
лученная таким образом зависимость целевой
функции от ' и tg для получения непрерывной
зависимости подвергалось кубической сплайно-
вой интерполяции.
На рис. 2 приведен общий вид рельефа
зависимости корня квадратного из целевой функ-
ции от возможных значений ' и tg материала
контролируемого диэлектрика, а на рис. 3 - линии
уровня функции при значениях электрофи-
зических параметров 2 ' 3; 0,001 tg 0,05.
Область глобального минимума целевой функ-
ции, определенная методом последовательных
уточнений, изображена на рис. 4 и рис. 5. Такой
масштаб по оси аппликат выбран из соображе-
ний максимальной наглядности изображаемого
рельефа.
Н. Л. Евич / Радиоволновая диэлектрометрия с использованием…
_________________________________________________________________________________________________________________
485
Er
6
7
8
9
2
2,2
2,4
2,6
2,8
3 0,001
0,005
0,01
'
tg
Рис. 2. Общий вид рельефа функции в координатах ' и tg
(2 ' 3; 0,001 tg 0,01)
Рис. 3. Линии уровня рельефа функции в координатах ' и
tg (2 3; 0,001 tg 0,05)
Рис. 4. Общий вид рельефа функции 5 в координатах ' и
tg (2,558 ' 2,570; 0,006 tg 0,007)
A
2.558 2.561 2.564 2.567 2.57
0.006
0.0062
0.0064
0.0066
0.0068
2.784
2.784
2.783
2.783
2.783
2.783
2.783
2.783
2.783
2.782
2.782
2.782
2.782
2.782
2.782
2.782
2.782
2.782
2.781
2.781
2.781
2.781
2.781
2.781
2.781
2.781
2.781
2.78
2.78
2.78
2.78
2.78
2.78
2.78
2.78
2.78
2.779
2.779
2.779
2.779
2.779
2.779
2.779
2.779
2.779
1
tg
Рис. 5. Линии уровня функции 5 в координатах ' и tg
(2,558 2,570; 0,006 tg 0,007)
Как видно из рис. 5 глобальному мини-
муму целевой функции соответствует точка с ко-
ординатами ' = 2,565; tg = 0,0064.
Сравнение с наиболее достоверными
данными, касающимися исследования электрофи-
зических характеристик диэлектриков в диапазо-
не миллиметровых и субмиллиметровых волн,
приведенных в работах 9-11 , позволяет конста-
тировать хорошее совпадение представленных и
ранее опубликованных результатов. В частности,
в работе 10 резонансным методом измерены
величины действительной части диэлектрической
проницаемости и тангенс угла диэлектрических
потерь для плексигласа. Измерения проводились
в 6-мм диапазоне на интерферометре Фабри-
Перро. Для величин ' и tg получены оценки:
' = 2,557 0,026, т. е. (2,531 ' 2,583) и для
tg = 0,00327 0,000262 или (0,003008 tg 0,003532).
В работе 11 представлены результаты
измерения величины диэлектрической проницае-
мости плексигласа, полученные квазиоптическим
резонансным методом в 2-мм диапазоне
( 0
=
2,1 мм). Тангенс угла диэлектрических потерь
не оценивался. Для величины диэлектрической
проницаемости получено значение = 2,60
0,05;
(2,55
'
2,65).
Сопоставление представленных результа-
тов с результатами, опубликованными в работе 10 ,
обращает внимание на отличие более, чем в два
раза, величины tg . Это, однако, не вызывает прин-
ципиальных возражений. На подобное отличие
электрофизических характеристик номинально
идентичных образцов, полученных от различных
производителей, обращается внимание в работе 9 .
В качестве иллюстрации на рис. 6 приве-
дены графики функции exp , nT p d
и функции
,t nT p d
, подвергшейся процедуре параметри-
ческой оптимизации.
A
2,558
2,564
2,570
0,006
0,0064
0,0068
tg
2,770
2,775
2,795
2,780
2,785
2,790
5
Er
2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
0.001
0.0064
0.0119
0.0173
0.0228
0.0282
0.0337
0.0391
0.0446
0.05
8.5
8
8
7.5
7.5
7
7
7
7
7
6.5
6.5
6.5
6.5
6.5
6
6
6
6
5.5
5.5
5.5
'
tg
Н. Л. Евич / Радиоволновая диэлектрометрия с использованием…
_________________________________________________________________________________________________________________
486
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1
0 1 2 3 4 d/ 0
Рис. 6. Общий вид функций ,t nT p d
и
exp , nT p d
, нормированных на максимальное значение, после процедуры параметриче-
ской оптимизации:
exp , nT p d
; ,t nT p d
.
___________________________________________
3. Численное моделирование. Задачей
численного моделирования было исследование
погрешностей определения ' и tg , характерных
для метода параметрической оптимизации с ис-
пользованием излучателя с геометро-фазовым
сканированием.
Для численного моделирования на пара-
метры, используемые при вычислениях поля из-
лучателя, накладывались погрешности, связывае-
мые с конечной точностью их измерения. К этим
параметрам относятся длина волны в свободном
пространстве 0, коэффициент замедления ди-
электрического волновода и угол на точку на-
блюдения , отсчитываемый от оси излучателя.
Влияние погрешности измерения расстояния R от
центра излучателя до точки съема при R
>
16 0
пренебрежимо мало и поэтому не учитывалось.
Оценено также влияние шумов измерительного
тракта на погрешность измерений.
Длина волны в свободном пространстве
измерялась резонансным волномером Ч2-26,
обеспечивающим максимальную относительную
погрешность измерения длины волны в 0,1%.
Коэффициент замедления диэлектриче-
ского волновода , определялся по в в процессе
геометро-фазового сканирования. При этом дос-
тигнута максимальная относительная погреш-
ность определения в 0,1 . Положительный эф-
фект, выражающийся в повышении точности из-
мерения, достигнут за счет усреднения по не ме-
нее чем 13 вариациям поля.
Угол на точку приема контролировался
с помощью отсчетного устройства с нониусной
шкалой, позволявшего измерять величину угла с
точностью до 7,5 мин (в расчетах принято
= 15 мин).
При оценке погрешностей, связанных с
каждым из параметров, применялась описанная
выше методика глобальной минимизации, отли-
чающаяся тем, что вместо функции ndpT ,exp
,
получаемой экспериментально, использовалась
теоретически рассчитываемая функция nt dpT ,
,
при вычислении которой варьировался соответст-
вующий параметр.
При оценке влияния шумов измеритель-
ного тракта на суммарную погрешность измере-
ния вместо ndpT ,exp
была использована моде-
лирующая ее функция
, , 1noise
t n t nT p d T p d Rnd
, (6)
где Rnd - случайное число в интервале -1, 1 ; -
относительная величина шума измерительного
тракта.
В данном случае при вычислении
n
noise
t dpT ,
относительная величина шума пола-
галась равной =
0,1, что превышает реальные
значения.
Результаты расчетов представлены в таб-
лице.
Н. Л. Евич / Радиоволновая диэлектрометрия с использованием…
_________________________________________________________________________________________________________________
487
Результаты расчетов влияния погрешностей измерения параметров на погрешности
измерения величин диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь
Варьируемый
параметр
Относитель-
ное отклоне-
ние парамет-
ра,
'+
'-
100
'
,
100
'
,
tg + tg
tg - tg
tg
100
tg
,
tg
100
tg
,
0, +0,1
-0,1
2,56747
2,56045
0,112
0,162
7,661 10
-3
5,381 10
-3
+1,748
-1,748
+0,1
-0,1
2,56878
2,55834
+0,163
-0,244
6,7376 10
-3
5,9505 10
-3
+5,275
-7,023
+0,7
-0,7
2,58128
2,54792
+0,65042
-0,65042
6,8495 10
-3
6,0193 10
-3
+7,023
-8,787
шум - 2,5625 -0,081 6,5129 10
-3
1,764
___________________________________________
Таким образом, для величины диэлектри-
ческой проницаемости имеем ' = 2,565 0,029,
(2,5354 ' 2,5938) и для величины тангенса
диэлектрических потерь - tg = 0,0064 0,0012,
(0,0052 tg 0.0076).
Из таблицы видно, что основной вклад в
суммарную погрешность измерения величины ди-
электрической проницаемости ' вносит погреш-
ность измерения угла , а в погрешность измере-
ния тангенса угла диэлектрических потерь - по-
грешность измерения угла и коэффициента за-
медления диэлектрического волновода . Суммар-
ная погрешность измерения величины ' методом
геометро-фазового сканирования оказывается со-
измеримой с погрешностью контроля методом
интерферометра Фабри-Перро, хотя погрешность
определения величины tg оказывается более, чем
в два раза хуже (19,32% против 8,01%).
На основании всего выше изложенного
можно сделать вывод, что метод геометро-
фазового сканирования может быть успешно ис-
пользован в целях диэлектрометрии в миллимет-
ровом диапазоне электромагнитных волн. В связи
с тем, что зондирующее поле усредняется по дос-
таточно протяженной области контролируемого
диэлектрика, метод может найти применение для
контроля таких неоднородных диэлектриков, как
полимерные композиционные материалы, отли-
чающиеся существенной структурной неодно-
родностью.
Кроме определения величин действи-
тельной части диэлектрической проницаемости и
тангенса угла диэлектрических потерь проведен-
ные экспериментальные исследования показали
высокую эффективность и чувствительность ме-
тода для контроля наличия влаги в масло-
хладоновых смесях, для контроля качества сма-
зывающих материалов в процессе их эксплуата-
ции.
Представляется перспективным исполь-
зование предложенного метода для контроля
электрофизических характеристик магнитоактив-
ных материалов, в том числе киральных и перко-
ляционных систем. В этом случае вектор пара-
метров, характеризующий контролируемую
структуру будет ( , tg , , tg )P
, и миними-
зацию квадратичного функционала следует про-
водить по четырем параметрам.
Кроме того, предлагаемый метод радио-
волновой диэлектрометрии с использованием
геометро-фазового сканирования может служить
основой для синтеза методов толщинометрии,
дефектометрии и дефектоскопии.
В заключение автор считает своей прият-
ной обязанностью выразить искреннюю призна-
тельность профессору С. А. Масалову за помощь
и ценные замечания, высказанные в процессе об-
суждения работы.
1. Тихонов А. Н., Арсенин В. Я. Методы решения некоррект-
ных задач. - М.: Наука, 1986. - 288 с.
2. Колодий Б. И., Лящук О. Б., Федорчак Б. И. Радиоволно-
вая толщинометрия плоскослоистых диэлектрических ма-
териалов на основе метода глобальной минимизации //
Дефектоскопия. - 1990. - №9. - С.67-71.
3. Аззам Р., Башра Н. Эллипсометрия и поляризованный
свет: Пер. с английского / Под ред. А. В. Ржанова,
К. К. Свиташева. - М.: Мир, 1981. - 583 с.
4. Громов В. К. Введение в эллипсометрию. Учеб. пособие. -
Л.: Изд-во ЛГУ, 1986, - 192 с.
5. Ахметшин А. М., Славин И. В., Тихий В. Г., Плато-
нов Е. Д. Идентификация слоистых диэлектрических
структур методами параметрической оптимизации в мно-
гочастотной СВЧ интроскопии // Дефектоскопия. - 1983. -
№12. - С.57-56.
6. Гребенников А. И. Метод сплайнов и решение некоррект-
ных задач теории приближений. - М.: Изд-во МГУ, 1983.
7. Пат. 2003991 Российская Федерация, МКИ G01 P27/04,
27/26 Устройство для определения диэлектрической про-
ницаемости материала / В. Е. Буданов, Н. Л. Евич,
О. Б. Калмыкова, Н. Н. Суслов. - Опубл. 30.11.93 г. Бюл.
№43-44.
8. Буданов В. Е., Евич Н. Л., Суслов Н. Н. Метод измерения
диэлектрической проницаемости неоднородных диэлек-
трических материалов // Радиофизика и электроника. -
Н. Л. Евич / Радиоволновая диэлектрометрия с использованием…
_________________________________________________________________________________________________________________
488
Харьков: Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. -
2002. - 7, №2. - С.328-334.
9. Афсар М. Н., Баттон К. Дж. Измерение диэлектрических
характеристик материалов в диапазоне миллиметровых
волн // Тр. ин-та инж. по электротехнике и радиоэлектрон. -
1985. - 73, №1. - С.143-166.
10. Culshaw W. and Anderson M. V. Measurement of permittivity
and dielectric loss with a millimeter wave Fabry-Perot interfe-
rometer // Proc. Inst. Elec. Eng. - 1962. - Part B, Suppl. 23,
109. - Р.820-826.
11. Дедженфорд Дж. Е., Колмен П.Д. Квазиоптический резо-
нансный метод измерения диэлектрической проницаемо-
сти // Тр. ин-та инж. по электротехнике и радиоэлектрон. -
1966. - 54, №4. - С.83-86.
RADIOWAVE DIELECTROMETRY WITH USE
OF GEOMETRIC-PHASE SCANNING METHOD
N. L. Yevich
The method of dielectric materials permittivity value measuring in
the range of millimeter electromagnetic waves with use of the
antenna with geometric-phase scanning representing a surface
wave antenna with piecewise linear phase distribution of fields,
which exciting it's shoulders while value of shoulders varies dur-
ing scanning is offered. Theoretically and experimentally demon-
strated the opportunity of the solution of a return problem, defini-
tion of quantity of a complex permittivity with use of a global
minimization method is shown.
Key words: surface wave, permeability.
РАДІОХВИЛЬОВА ДІЕЛЕКТРОМЕТРІЯ З
ВИКОРИСТАННЯМ ГЕОМЕТРО-ФАЗОВОГО
СКАНУВАННЯ
М. Л. Євіч
Описано метод виміру величини діелектричної про-
никності діелектричних матеріалів у діапазоні міліметрових
електромагнітних хвиль з використанням випромінювача з
геометро-фазовим скануванням, що уявляє собою антену
поверхневих хвиль з кусочно-лінійним фазовим розподілом
збуджуючих її полів, величина пліч якої міняється в процесі
сканування. Теоретично й експериментально показана можли-
вість рішення зворотної задачі - визначення величини компле-
ксної діелектричної проникності з використанням методу
глобальної мінімізації.
Ключові слова: поверхневі хвилі, діелектрична
проникність.
Рукопись поступила 22 марта 2007 г.
|