А – согласованной нагрузки; б – бесконечного слоя; в – комплексной нагрузки; г – короткого замыкания; д – холостого хода; е – измерения комплексного коэффициента прохождения.

При измерении параметров диэлектриков всю конструкцию (волновод с диэлектриком) необходимо нагревать. Наиболее простой способ – использование электрической печи (муфельной). Энергия для нагрева берется по закону Джоуля-Ленца. Из перечисленных шести вариантов проще греть короткозамкнутый волновод.

Технически проще вести измерения КСВ в волноводе (стоячая – т.к. всегда будет отражение от первой границы). Для этого применяется измерительная линия.

Относительная погрешность измерения диэлектрической проницаемости:

Точность измерения – высокая.

Относительная погрешность измерения тангенса угла потерь:

Точность также хорошая.

Указанные погрешности справедливы для холодного состояния, ненагретого. При нагреве погрешности увеличиваются примерно на порядок.

1.2) Резонаторные методы.

В низкочастотной области резонатором может быть колебательный контур. В технике СВЧ резонансная система представляет собой замкнутые объемы разной конфигурации и разного объема (цилиндр, параллелепипед). Волновод, расширенный по сечению, является резонатором.

Свойства резонатора оцениваются резонансной частотой. Добиваемся совпадения в резонанс собственной частоты контура и подводимой частоты. Также характеристикой резонатора является добротность.

При применении резонатора для измерений испытуемый образец следует размещать в резонаторе. Его перемещение внутри, так же, как и нагрев резонатора, меняет резонансную частоту и добротность.

Резонаторные методы применяют для измерения малых величин тангенса угла потерь (10^-4...10^-5).

Идею бесконтактных методов рассмотрим на картинке ниже.

Варианты построения внешнего канала радиотехнической части РТК.

2.1) Метод свободного пространства.

На этом рисунке а посередине между рупорными антеннами – образец диэлектрика в виде плоскопараллельной пластины ограниченных размеров.

Облучаем эту пластину электромагнитной волной и фиксируем в приемнике, что будет с мощностью и фазой этой волны, прошедшей образец диэлектрика.

Чтобы реализовать эту идею, необходимо установить функциональную связь:

В этом подходе возникают сложности с получением связывающий функции f. Наиболее просто эта функция получается, если мы облучаем образец диэлектрика плоской однородной электромагнитной волной. Волна:

- плоская – равные фазы находятся в плоскости, ориентированной перпендикулярно направлению распространения;

- однородная – одинаковая напряженность в плоскости равных фаз.

Для других условий уравнения Максвелла решить не удастся.

По мощности и фазе мало вести измерения. На картинке отображена только радиотехническая часть комплекса, а мы также должны осуществлять нагрев. Так как образец не должен ни с чем контактировать и нагревательная струя ограничена в размерах, то нужно греть только ограниченный участок образца (заштрихованную часть на рисунках выше), т.е. подводить нагревательную струю к участку диэлектрика под некоторым углом.

На практике целесообразнее вместо рупорных антенн использовать зеркальные фокусирующие антенны, т.к. греем малый участок диэлектрика и снимаем значения с этого же малого участка. Кроме этого, у рупорных антенн широкая ДН – облучаем большие размеры образца (не только нужный нам греемый участок, но также мимо), а греем малые.

Минимальная толщина образца диэлектрика должна составлять половину длины волны:

толщина волны в диэлектрике.

Обоснуем выбор толщины диэлектрика.

Волна, распространяющаяся от передатчика, встречает на своем пути две неоднородности, вызывающие отражение от образца (границы раздела воздух-диэлектрик и диэлектрик-воздух). Тогда в области слева от образца будут две отраженные волны (т.к. волна отразилась от границы I, прошла дальше и отразилась от границы II). Отраженные волны будут складываться, причем сложение будет зависеть от того, в какой они оказались фазе. Если брать толщину диэлектрика , отраженные волны будут находиться в противофазе, следовательно, при сложении сумма отраженных волн будет уменьшаться, но не компенсироваться полностью из-за разных амплитуд (разных напряженностей поля). Разные амплитуды будут из-за потерь на затухание при прохождении диэлектрика в прямом направлении и обратном, поэтому волна, отраженная от II границы, имеет меньшую амплитуду. Таким образом, для уменьшения отражения всегда следует брать толщину диэлектрика .

Из рисунка выше наиболее привлекательным является вариант г). Ход лучей, изображенный на рисунке, будет иметь место, если зеркало имеет профиль эллипсоида вращения. Два эллипсоида имеют совмещенные дальние фокусы, которые находятся на испытуемом образце.

Мы уже говорили о том, что волна поля должна быть плоской и однородной. Должны рассматривать общую фокальную плоскость и анализировать, выполняется ли требование. Фокальная область имеет ограниченную протяженность. На практике достижимы значения протяженности фокальной области , где - длина волны в свободном пространстве. Сам размер фокальной области достижим , т.к. в теории фокусировка происходит в размер . Тогда каждый луч падает нормально к образцу, что характерно для плоской волны. Плоскость равных фаз такой волны параллельна образцу.

Поле неодинаковое, неравномерное, так как максимальная напряженность поля будет на оси излучения антенны D/2 и будет спадать к краям фокусировки.

При использовании схемы г) мы измеряем мощность прошедшей волны, или, наиболее часто, коэффициент прохождения по мощности |T²| и фазу . Затем наша задача – по полученным измерениям этих характеристик пересчитать в параметры диэлектрика:

Оказывается, что зависимости эти получены решением уравнения Максвелла при облучении плоской и однородной волной.

Таким образом, проводимые измерения сводятся к двум операциям:

1) измерить изменение прошедшей мощности;

2) измерить изменение фазы.

Мощность будет изменяться из-за поляризации, которая зависит от , а фаза, в свою очередь, влияет на отражение и изменяется из-за скорости прохождения в воздушном слое и в диэлектрике.

2.2) Метод отношения мощностей.

Структурная схема измерительного устройства, основанного на методе отношения мощностей: