слой диэлектрика (рис. 83) и определить угол Брюстера, при котором отраженное поле было бы минимальным, то в случае неболь-ши.х потерь имеет место соотношение

[5.31

Если затем пластинку исследуемого вещества поместить в. электромагнитное поле под углом падения Брюстера н измерить

величину (отношение мощности, передаваемой через образец,

к мощности, передаваемой без образца), ~ можно получить величину тангенса угла диэлектрических потерь по формуле

Воздух si/}

8(tg28J, (5,32)

Воздух

/.-длина волны в свободном

пространстве; d -толщина образца; W(tgS) - члены второго и высшего порядков по tgS. Если образец обладает магнитными свойствами, т. е. его \~\, то имеется возможность, измерив угол Брюстера &£, коэффициент

Рнс. 83. Отражение и прохождение отражения - И коэффициент прО-

электромагнитных волн, падающих на слой диэлектрика.

хождения

, определить его ди-

электрическую и магнитную проницаемости.

В этом случае определяется угол Боюстера, который соответствует минимуму отражения волны Е, поляризованной параллельно плоскости падения, и коэффициент отражения - волны Е,

поляризованной перпендикулярно плоскости падения и падающей на образец под углом Брюстера. Для этих величин имеют место соотношения

" (5.33

(5.34)

Сочетание этих двух уравнений позволяет рассчитать отдельно величины е и ц.

Если, кроме этого, определить коэффициент прохождения !

для обрязца, поставленного под углом Брюстера к лучу, как и в предыдущем случае, то получим:

к cos 1>Б

In г.

Для небольших потерь 2tg

tgi. + y - tg i + tgo.

(5.35) (5.36)

Потери можно разделить, вычислив отношение коэффициента отражения при параллельной поляризации к коэффициенту отражения при перпендикулярной поляризации, если волна в обоих случаях падала под углом Брюстера.

R 1 I

Пусть -pi=где/?-- -коэффициент отражения, тогда

А 5 J Ш и

tgS,

где = jt(tg3,tg8j; - 0 = stg3,-ig8„

~Л--г

(5.37

Sign в.

Таким образом, можно разделить диэлектрические и магнитные потери в образце.

На практике имеется источник значительных погрешностей, которые не учитывались в предыдущем расчете. л

Это эффект многократных отражений, иллюстрируемый рис, 84.

Поправку на эффект многократных отражений можно

ввести следующи.м образом.

Пусть -~-истинное значение

коэффициента отражения, а 1

- = измеренное значение. рис. 84. Эффект многократных

отражении Б диэлектрике.

Тогда имеет место соотношение

1 I I -2Z?cos 3-LS2

I-- cos 3 -{--T

(5.38)

6 i3u

£ COS f>£; В = exp

Таким образом, зная и, можно вычислить т. Однако величины fi и В можно вычислить, если известно s. С другой стороны, для вычисления г необходимо знать т. Поэтому приходим к трансцендентному уравнению, которое решается особыми методами.

Когда величина ц близка к единице, решение этого уравнения может быть найдено методом последовательного приближения.

Положив временно .= 1, получим Sj - первое приближенное значение по уравнению

Используя эту величину £i, значение щ по уравнению

южно вычислить приближенное

Далее находятся в первом приближении величины

В = ехр

2 -cosaInr

COS р

2В{и1-\)

(5.39)

(5.40)

(5.4Г

где Ид, г и 1>Б - экспериментальные величины; Если использовать теперь уравнение

3 = -т-= COS {Б

(5.42)

и подставить в него первое приближение , то можно для г получить второе приближение Используя его, можно найти [t из уравнения

Этот метод повторяется до тех пор, пока величины е и и. не будут больше изменяться от одной апроксимации к другой.

Такой же метод последовательного приближения применяется при расчете поправленного значения тангенсов углов потерь (с учетом многократных отражений). Если ml - измеренное от-

ношение

II /

нз соотношения

, то поправленное значение можно рассчитать

25 . , В\

(5.44)

Итак, для определения е, tgo и igl необходимо выполнить следующие измерения:

При параллельной поляризации-

1. Угол Брюстера Об.

2. Коэффициент прохождения -у при Ь

3. Коэффициент отражения при д = Э;

при перпендикулярной поляризации

4. Коэффициент отражения ~ прн &

Дополнительно требуется измерить величины:

5. Длину волны Я,.

6. Толщину образца d.

Если ji=l и tg Sm=0. то необходимо выполнить лишь пп. 1,2,5, 6.

Блок-схема установки для измерений приведена на рис. 85. Установка состоит из трех основных частей: 1) передатчика, 2) приемного устройства и 3) механического устройства для перемещения передатчика, приемника, образца, для перемещения приемной антенны на t- 4, точного отсчета углов, а также для изменения плоскости поляризации.

Передатчик состоит из клистронного генератора, волноводной системы, волномера, согласующей секции, аттенюатора и передающего рупора.

Рис. 85. Блок-схема установки лля измерения диэлектриков в свободном пространстве.

; -Генератор. 2.-Волномер.--Трансформатор. 4.-Аттенюатор .1.-Передающий pviiop. о" - Чеха-ическ-е устрой твп для перемещения передатчика. /.-Механическое устройство ДЛИ иеремешення (образца испытуемого материала --Испытуемый образец. У.-Приемныи рупор. Aj.-Индикатор.

Приемйик состоит из приемного рупора 9, калиброванного аттенюатора 11, согласуюш,его плунжера 12, детектора и чувствительного гальванометра/5. Диаграмма направленности рупоров порядка 6,5 в точках половинной мош,ности, т. е. достаточно узка.

Исследования показали, что ошибки, вызываемые сферичностью фронта, получаются прн этом малыми, особенно в случае тонких образцов.

Размеры образца должны быть такими, чтобы устранить влияние дифракции при измерениях.

§ 5. Пондеромоторные измерители диэлектриков

Для измерения диэлектрической постоянной жидких и газообразных тел в диапазоне миллиметровых волн могут найти себе применение пондеромоторные измерители диэлектриков. В основу этих приборов положен тот факт, что пондеромоторные силы электромагнитных волн зависят от диэлектрической постоянной среды.

Рис. 86. Блок-схема установки для измерения диэлектриков с помошью пондеромоторного измерителя.

На рис. 86 приведена возможная схема прибора. На рисунке обозначены: Г - генератор, А - аттенюатор, Тр - согласующий трансформатор, ИМ-измеритель мощности, В-отрезок волновода, KB-крутильные весы, Шк-шкала, Л-лампа, Т-зрительная труба.

На кварцевой нити в волноводе укрепляется подвижной элемент. В качестве подвижного элемента могут быть использованы тонкий провод, пластина и т. д.

Ннти, поддерживающие подвижной элемент, находятся в натянутом состоянии, причем, как внизу, так и вверху, они жестко закреплены, чтобы избежать горизонтальных смещений подвижного элемента под действием сил поверхностного натяжения жидкости, заполняюще!! волновод. Подвижной элемент в положении равновесия устанавливается так, что плоскость элемента составив

ляет с осью волновода угол, близкий к 45°. Затем подвижной элемент подвергается действию пондеромоторных сил поля, в резу.ть-тате чего элемент поворачивается на некоторый угол регистрируемый оптической системой.

Указанные наблюдения проводятся для спучая, когда в волноводе воздух {О для воздуха) и для случая, когда волновод заполнен жидкостью (t> жидкости) или газом, диэлектрические постоянные которых хотят измерить.

Так как угол поворота элемента пропорционален квадрату напряженности электрического поля, а значения вектора Умова - Пойнтинга в обоих случаях одинаковы, то

(5.45)

Для регулировки уровня мощности в схеме предусмотрен измеритель мощности им и аттенюатор Атт. Трансформатор Тр служит для согласования волноводного тракта. Особенно выгодно применять этот метод для измерения малых диэлектрических постоянных с высокой точностью. Этот вопрос, как известно, является одним из наиболее сложных в технике диэлектрических измерений.

Рис. 87. Блок-схема установки для измерений диэлектриков с помощью пондеромоторного изме-ригеля, использующего давление электромагнитных волн на стенки волновода.

Другая возможная схема пондеромоторного измерителя, предназначенного для измерения диэлектрических постоянных жидкостей и газов, приведена на рис. 87. На рисунке обозначены: Г- генератор, Атт-аттенюатор, В-волноводная секция с гибкой мембраной или пьезокварцевой пластиной, чмонтфованной в узкую сторону волновода. И -индикаторное устройство, Н-нагрузочное сопротивление.

Методика измерении в этом случае такая же, как и в предыдущем случае.

Если показания индикаторного устройства пропорциональны квадрату напряженности магнитного поля, т. е. Ь = п-Н,

а - К -1*

Г5.46)