ны в магнитодиэлектрике меньше, чем в воздухе; во-вторых, изменится коэффициент бегущей волны s, так как амплитуда отраженной волны будет меньше вследствие потерь в магнитодиэлектрике. При этом в силу того, что у закороченного конца магнитное поле максимально, а электрическое почти равно нулю, у короткозамкну-того окончания будут особо проявляться магнитные свойства маг-нитодиэлектрика.

Если поместить образец в место, где электрическое поле максимально, а магнитное почти нуль (рис. 79 внизу), т. е. на расстоянии ?./4 от закороченного конца волновода (так называемый режим холостого хода), то главную роль в изменении стоячей волны будут играть диэлектрические свойства магнитодиэлектрика.

Измеряя в каждом случае входное сопротивление Zx на Передней границе магнитодиэлектрика, получим (входное сопротивление короткого замыкания) и Z (входное сопротивление холостого хода), с помощью которых вычисляются комплексные значения е* и р.*.

- (5.22)

Z -7

(5.23)

Здес

ь /кp - критическая длина волны в волноводе;

I. - длина волны свободных колебаний; "ii = -1 д- Pi - постоянная распространения;

Pi . , где - длина волны в магнитодиэлектрике.

Величина 7 находится из уравнения

5.24)

где d - толщина образца магнитодиэлектрика.

Входные сопротивления на передней грани магнитодиэлектрика можно определить с помошью измерительной линии по методике, описанной в § 1. измеряя хо-расстояние от лицевой стороны образца до первого минимума и s-коэффициент бег\шей волны.

Тогда входное сопротивление Z будет равно:

Z Z

l~is tg

2X0 •

(5.25

2о-характеристическое сопротивление волновода, заполненного воздухом,

Таким образом, по измеренным параметрам х из для двух. случаев короткого замыкания и холостого хода вычисляются г, у., и tg5„.

Аналогичный метод может быть применен и для объемного

резонатора. Только в этом случае вместо коэффициента бегущей волны измеряется добротность резонатора Q и вместо расстояния первого минимума от лицевой стороны образца-резонансная длина резонатора.

§ 4. Измерения диэлектриков в свободном пространстве

СЛУЧАЙ НОРМАЛЬНОГО УГЛА П.АДЕНИЯ ВОЛНЫ на ПОВЕРХНОСГЬ ДИЭЛЕКТРИКА

На рнс. 80 приведена блок-схема установки для измерения относительной диэлектрической постоянной на миллиметровых волнах.

2 i \

Рис. 80. Блок-схема установки для измерения диэлектрической постоянной:

1. Генератор. 2 Т-образныи ответвитесь. 3. Аттенюатор. 4. Рупор генератора. 5. Испыг.уемый материал. Й. Приемный рупор. 7. Детектор. S. Индикаторный прибор.

Высокочастотная энергия от генератора подается через Тч)бра?-ыый разветвитель в передающий рупор и детектор. Энергия, улавливаемая приемным рупором, также подается на детектор. При отсутствии образца диэлектрика на пути распространения электрома.иитных волн между рупорами, изменяя расстояние между передающим и приемным рупором и вводя аттенюаторы, добиваются минимальных показаний индикаторного прибора.

Показания стрелочного прибора будут минимальными, если колебания приходят на кристаллический детектор из свободного

пространства и через волновод в противофазе. Затем между рупорами вводят испытуемый диэлектрик. На индикаторном приборе будет наблюдаться резкое увеличение показаний, обусловленное изменением разности фаз колебаний, поступагоших нч детектор. Для восстановления минимальных показаний индикаторного прибора необходимо изменить расстояние между рупорами на величину Д, которая измеряется с помощью микрометрического отсчетного приспособления.

Величина г может быть приближенно вычислена по формуле

(5.26)

тде d - толщина образца диэлектрика.

Неоднозначность в определении д устраняется, если известен порядок величины 2 или если повторить измерения с образцами различной толщины.

Эта формула дает точное значение г (с точностью до величины - О при d, стремящемся к бесконечности.

При d. стремящемся к нулю, имеет место другое предельное значение

(5.27}

В промежуточном случае для получения точного значения s вычисляется поправка к измеренной величине дизм- на которую оказывает влияние эффект многократных отражений от границы диэлектрик-воздух. Поправка может быть вычислена по следующей фор.муле:

кзм -иск - j -d У г -

arc t£

2Г =

, (5.28)

где диск - искомое значение величины Д;

/- - длина волны в свободном пространстве.

В результате для определения е поступают следующим образом: сначала из уравнения (5.26) определяют приближенное значение s и подставляют в уравнение (5.28). Из уравнения (5.28) находят диск, которое затем подставляется в (5.26) для определения точного значения г. Этот процесс последовательного приближения .можно продолжать, но практически достат-очно одной операции, так как величины е н д быстро сходятся.

На рис. 81 приведена блок-схема установки для измерения tgo„ в свободном пространстве. Измерение tgu„ сводится к измерению модуля коэффициента передачи г, т. е. к отсчету показаний приемника без образца диэлектрика и с образцом;

с образцом ciiii образца

в случае нормального падения волны на образец измерение tgS возможно лишь в двух случая: 1. Толщина образца d=ri ,

где п - целое число;

Ь -длина волны в диэлектрике.

Генератор

испйицемою материй г

Рис. 8!. Блок-схема установки чля измерения тангенса угла потерь.

В этом случае tgS определяется из следующего сооткошекия:

5.29)

Аа е

.а - i

где i-модуль коэффиниента передачи,

, -я

Это соотношение справедливо при tgoO.

2. Образец обладает потерями, достаточными для выполнени;?

условия:

tgB2

е-- - -I1

при практически выполнимой толщине d.

В этом случае при определении s необходимо ввести поправку на потери, ибо tg. - О.

>. In г-

2гЛ

(5.30)

где d -оазность между двумя значениями толшины диэлектрика. Aj -разность между двумя значениями Д;

- отношение двух значений коэффициента передачи. Ясно, что для проведения измерений в этом случае необходимо иметь возможность изменять толщину образца, либо иметь два образца pasKoii толшины.

109-

при измерениях параметров диэлектриков по передаче в сво-оодйом пространстве следует избегать ошибок, вызываемых дифракцией на концах образца. Ошибку, обусловленную дифракцией, можно исключить, если взять достаточно большой образец.

Помимо этой ошибки при измерениях возникает дополнительная погрешность за счет взаимодействия различных частей применяемой установки.

Можно показать, что взаимное влияние двух антенн весьма незначительно, поэтому практически им можно пренебречь. 4ix> бы исключить ошибку, вызываемую взаимным влиянием антенны и образца, необ.ходимо прн определении Л провести повторное измерение после перемещения образца на четверть волны и вычислить среднее значение Д.

ФрОНТ волны, падающей на образец, в действительности очень близок к сферическому. Этот факт также является источником ошибок. Сферический фазовый фронт сопровождается ослаблением поля обратно пропорционально расстоянию.

Отсюда следует, что амплитуда поля в образце распределена неравномерно даже вдоль оси антенны. Точки вне оси освещаются неравномерно в соответствии с диаграммой направленности ан-тенды-

В результате действия сферического фронта волны на поверхность диэлектрика получается такая же качественная картина, как если бы на образец падали плоские волны под различными углами и их эффект усреднялся. Ошибки, связанные с этим изменением «эффективного угла падения», могут быть исследованы экспериментально, на эснованин зависимости измеренных е и IgS от расстояния между образцом и передатчиком.

В связи с ошибкой, вызываемой сферическим фронтом волны, естественно возникает вопрос, где надо расположить образец, чтобы получить наибольшую точность измерения при данном расстоянии между антенна.чи. Исатедования показывают, что результаты приближения образца к прие.чннку и передатчику равноценны, если одинаковы приемная и передающая антенны.

ПРР!.НЕНЕНИЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Интерферометры миллиметровых волн, описанные в § 4 главы П. нашли применение для измерения электрических характеристик диьлектр-иков в этом диапазоне длин волн.

На рис, 82 показана одна из применявшихся схем установки для измерения диэлектрической постоянной образца твердого диэлектрика интерференционным методом.

Электро.магнитные волны от генератора 1 через стандартную волноводную систему поступают в передающий рупор 2, откуда направляются на полупрозрачное зеркало 3 и разделяются от него к двум металлическим плоским зеркалам 4 и 5. Отражения от

обоих зеркал поступают в приемный рупор 7. где и происходит

интерференция обоих лучей. Зеркало 5 подвижно и снабжено .тля перемещения микрометрическим винтом.

В месте расположения детектора наблюдаются интерференционные максимумы и минимумы, в зависимости от оптической разности хода для волн, распространяющихся по упомянуты.м двум путям.

Индикатором служит детектор, соединенный с усилителем 8, и измерительный прибор 9. Генераторный клистрон модулируется, прямоугольными импульсами.

Образцы диэлектрика 6 представляют собою тонкие п;гоские листы (толщиной 2-3

мм], располагающиеся

вплотную у подвижного зеркала.

Диэлектрическая постоянная рассчитывается по тому изменению фазы, которое внесет этотобразецдиэлектри-ка. Так как при определении диэлектрической проницаемости все измерения сводятся к линейным, которые могут быть выполнены с высокой точностью, погрешность измерения

с диэлектриков с ма- -Применение интерферометра миллиметро-

* " ьых волн для измерений диэлехтрической иосто-

лыми потерями в диа- янной.

пазоне волны 8-Ш мм не превышает 1 %.

Для диэлектрических измерений можно применить и друг.че схемы интерферометров миллиметровых волн. При переходе к более коротковолновым участкам этого диапазона применение интерферометров имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами диэлектрических измерений.

СЛУЧ.ЛЙ ПРОИЗВОЛЬНОГО УГЛ. П.ЛЛННИЯ волны ПОВЕРХНОСТЬ

ДИЭЛЕКТРИКА

При измерениях в свободном пространстве, когда электро-1агнитные волны направляются на образец под произвольным гглом падения, представляется возможным измерить величины р, "о,, и tgo. характеризующие электрические и > агнитные свой-:тва .материалов.

Если направить поляризованную электромагнитную волну, электрическое ноле которой параллельно плоскости падения, на