ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ
СТАНДАРТ
РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
Комплексная диэлектрическая проницаемость диэлектрических пластин с малыми потерями
Метод измерений в объемном резонаторе
IEC 62562:2010
Cavity resonator method to measure the complex permittivity of low-loss dielectric plates (IDT)
Издание официальное
Москва
Стандартинформ
2014
ГОСТ Р МЭК 62562-2012
Предисловие
1 ПОДГОТОВЛЕН Восточно-Сибирским филиалом Федерального государственного унитарного предприятия «Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений» (Восточно-Сибирский филиал ФГУП «ВНИИФТРИ») на основе собственного аутентичного перевода на русский язык международного стандарта, указанного в пункте 4
2 ВНЕСЕН Управлением метрологии Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии. ТК 206
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27 ноября 2012 г. № 1243-ст
4 Настоящий стандарт идентичен международному стандарту МЭК 62562:2010 «Метод измерения комплексной диэлектрической проницаемости пластин из диэлектрика с малыми потерями с использованием обьемного резонатора» (IEC 62562:2010 «Cavity resonator method to measure the complex permittivity of low-loss dielectric plates»)
Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного международного стандарта для приведения в соответствие с ГОСТ Р 1.5-2004 (подраздел 3.5)
Раздел «Содержание» настоящего стандарта изменен относительно содержания международного стандарта для приведения в соответствие с ГОСТ Р 1.5-2004 (подраздел 3.4)
5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
Правила применения настоящего стандарта установлены в ГОСТ Р 1.0-2012 (раздел 8). Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе «Национальные стандарты», а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты» В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске информационного указателя «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (gost.ru)
©Стандартинформ, 2014
Настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и распространен в качестве официального издания без разрешения Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии
ГОСТ Р МЭК 62562-2012
Предисловие к международному стандарту МЭК 62562:2010
В международном стандарте приведен метод измерений комплексной диэлектрической проницаемости диэлектрических пластин с малыми потерями в объемном резонаторе на частотах микроволнового диапазона. Этот метод был создан для разработки новых материалов и конструирования активных и пассивных устройств, для которых все более важной становится стандартизация методов измерения свойств материалов.
ГОСТ Р МЭК 62562-2012
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
Комплексная диэлектрическая проницаемость диэлектрических пластин с малыми потерями
Метод измерений в объемном резонаторе
State system for ensuring the uniformity of measurements Cavity resonator method to measure the complex permittivity of low-loss dielectric plates
Дата введения —2014—07—01
1 Область применения
Настоящий стандарт устанавливает метод измерений комплексной диэлектрической проницаемости диэлектрических пластин с малыми потерями в объемном резонаторе (далее - резонатор) на частотах микроволнового диапазона (1) - (3).
Метод имеет следующие характеристики:
- относительная диэлектрическая проницаемость £' и тангенс угла диэлектрических потерь tg£ образца диэлектрической пластины могут быть измерены точно и без разрушения образца (4), (5);
- может быть измерена температурная зависимость комплексной диэлектрической проницаемости;
- неопределенность измерения не более 0.3 % для относительной диэлектрической проницаемости с' и не более 5-10“° для тангенса угла диэлектрических потерь tg£;
- краевой эффект учитывается применением коррекционных номограмм, рассчитанных на основании строгих анализов
Метод применим для измерений в следующих условиях: частота 2 ГГц < / <40 ГГц;
относительная диэлектрическая проницаемость 2 < е' < Ю0'
тангенс угла диэлектрических потерь w* < tg£ < 102.
2 Измеряемые параметры
Измеряемые параметры определяют следующим образом:
|
£r =£ -jE' = D/(£0ll) |
(1) |
|
tgJ = £*/ £ |
(2) |
|
1 °ГУ (IAQ+/K).
ref ‘ 'ref |
(3) |
где D — индукция электрического поля;
/:’ - напряженность электрического поля;
£0 — диэлектрическая постоянная вакуума;
£ ,£в- действительная и мнимая составляющие комплексной относительной диэлектрической проницаемости £г;
ТКе-температурный коэффициент относительной диэлектрической проницаемости;
Издание официальное
ГОСТ РМЭК 62562—2012
£т , £ri.f- действительные части комплексной диэлектрической проницаемости при температуре Т и опорной температуре Trff в пределах 20 3С< Tri.t < 25 °С соответственно.
3 Теория и расчетные соотношения
3.1 Относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь
Схематическое изображение резонатора для измерений комплексной диэлектрической проницаемости приведено на рисунке 1. Резонатор, имеющий диаметр I) и длину Н = 2Л/, разделен на
две половины. Образец диэлектрической пластины, имеющий е' . tgJ и толщину /. помещен между ними.
Для измерения используется мода У7;'0,,, имеющая только касательную к плоскости образца составляющую электрического поля, поэтому воздушные зазоры между поверхностями резонатора и пластины диэлектрика не влияют на электромагнитное поле. Параметры £' и tgc> определяют из измеренных значений резонансной частоты /0 и собственной добротности Qu резонатора с образцом. учитывая краевое поле в области образца за пределами внутреннего диаметра резонатора (6) путем строгого решения краевой задачи методом «сшивания полей» (7). Эти численные расчеты довольно громоздки, поэтому сначала определяют приближенные значения €п и tg<?(J из величин /0 и Qu с использованием простых формул для модели резонатора, показанной на рисунке 1(6). в которой не учитывается краевой эффект модели резонатора, показанной на рисунке 1(a) Затем точные значения е' и tg<5 из в'а и tgSa получают с использованием номограмм, рассчитанных путем строгого решения.
где с = 2.99792458 10 мм/с - скорость света в вакууме; ft- резонансная частота. Гц;
I - толщина пластины, мм;
2
X - первый корень уравнения:
XW=-Y-4Y.
2М - длина резонатора, мм;
У находят из выражения
У =M<Jk(2-к? = jY\
Л((=М. Аг=^-:
с R
W>I =3 .83173 для моды TEol, (^oi - корень уравнения .У^(.г) = 0 ; Уо|(дг) - производная функции Бесселя ./0(.v));
R- радиус резонатора, мм.
Когда к0 - кг < 0. У заменяют на jY'.
Значение tg£a определяют по формуле
=-£--rsb,
l/lf
где Rs - поверхностное сопротивление стенок резонатора
сг = <т0<тг Смм1,
//. G - магнитная проницаемость и проводимость стенок резонатора; (Jг — относительная проводимость;
<т„ =5,8-10 См м - проводимость стандартной меди.
Постоянные А и И определяют по формулам:
Wf
где И'|‘ и И^2 - энергия электрического поля, запасенная в пластине диэлектрического образца (область 1) и в воздухе (область 2). как показано на рисунке 1(a);
/<л-1 • ‘cv2 и - потери в проводниках в областях 1.2 и на торцевой стенке;
О) - 2:rf{) - круговая частота.
Эти параметры определяют по следующим формулам:
w\ (id
* 2 2 .2 ,2 г > sin2K ^COS2^
^2 --eoPo<t> V<nJ0(y0lMl Г7Г“ . 2v ’ 12
4 v 2У ) smv
ГОСТ Р МЭК 62562-2012
Рсу, -f + (13)
Лп =f (14)
2 \ ZY ) sin-/
1^=-^Уо\А(^{-) — • 03)
где As'/s'a . AА/ А. АН/Н - поправочные коэффициенты, учитывающие краевой эффект, численно рассчитанные путем строгого решения краевой задачи «сшиванием полей» с использованием метода Ритца - Галеркина (рис. 2 и 3). Они найдены для диэлектрической пластины диаметром d так, что /0 сходится к постоянному значению при соотношении d / Л) >1,2.
Поправочные коэффициенты, показанные на рисунках 2 и 3. рассчитаны для il/])> 1.5 и применимы к диэлектрическим образцам любой формы, если d ! I) > 1,2.
Рисунок 2 - Поправочный коэффициент Рисунок 3 - Поправочные коэффициенты АА/А и
АН/В
4
Неопределенности Ае и AigS измерения е' и tg<*> оценивают как среднеквадратические отклонения и получают соответственно по формулам:
(Ае')2 = (Aerf +(Де])1 + )2 + (Ае'„ )2. (18)
(Atg Sf = (Atg SQf + (Alg (19)
где Ac) , As'. Ae’i), Ае'ц - неопределенности e' из-за стандартных отклонений f0, I, D, H соответственно;
Atgc>r>. Atg8a - неопределенности tg<? из-за стандартных отклонений Qu и (Tr соответственно.
3.2 Температурная зависимость £ и tg<5
С использованием этого метода может быть также определена температурная зависимость £■' и tg£. Температурный коэффициент относительной диэлектрической проницаемости ТКе рассчитывают по формуле (3).
В частности, когда температурная зависимость £* линейна, £*(/’) определяют по формуле
£'(/)=£'(7u Xi + 7Xc(/--7;,)]. (20)
где У и /J) - температура при измерении и опорная температура соответственно. В этом случае ТК£ можно определить по методу наименьших квадратов для большого количества измеряемых точек по Т.
При определении ТКе следует учитывать температурный коэффициент линейного расширения диэлектрической пластины а, а также температурный коэффициент объемного расширения
резонатора ССс. При измерении температурной зависимости tg£ следует учитывать температурный коэффициент сопротивления ТКр. Используя эти параметры, значения /('/’), /д7’), Н\Т) и р(Т) рассчитывают по формулам:
|
'(T)=/(7oXl + «C |
r-T0)l |
(21) |
|
II
o’
+ |
r-T0)l |
(22) |
|
Н(Т)=Н{Т0\\ + ас |
(r-T0)\. |
(23) |
|
II
*•4
II
о ’ >•<
+ |
TKp(r-T0)] |
(24) |
3.3 Параметры резонатора
Перед измерением диэлектрической проницаемости определяют параметры резонатора 1),
Н = 2М.ас.стг*ТКр.
Значения I) и Н определяют по двум резонансным частотам пустого резонатора /| для ТЕ0\ | и /2 для моды //-012 п0 формулам:
4/,2 ~fl
Приведенные формулы получены из резонансных условий резонатора.
Значение ас определяют, используя результаты измерения температурной зависимости /|,
4 Измерительное оборудование и аппаратура
4.1 Измерительное оборудование
На рисунке 4 приведены два вида структурной схемы установки для измерения на миллиметровых волнах. Для измерения диэлектрических свойств необходима только информация об амплитуде передаваемой мощности, информация о фазе передаваемой мощности не требуется. Для таких измерений может быть использован скалярный анализатор цепей, как показано на рисунке 4(a). Однако векторный анализатор цепей на рисунке 4(6) имеет более высокую точность измерений.
4.2 Аппаратура для измерения комплексной диэлектрической проницаемости
Структура резонатора для измерений комплексной диэлектрической проницаемости приведена на рисунке 5.
Резонатор состоит из двух одинаковых частей, изготовленных из меди. Для измерений в области 10 ГГц резонатор имеет диаметр I) = 35 мм. высоту Н = 25 мм и диаметр фланцев
Df >1,50.
Образец диаметром d > 1,20 помещают между фланцами резонатора и фиксируют с помощью зажимов. Резонатор возбуждается двумя полужесткими коаксиальными кабелями, каждый из которых имеет маленькую петлю на конце. Данный резонатор является резонатором проходного типа и имеет одинаковые коэффициенты связи входной и выходной петель, устанавливаемые по равенству входного .S’u и выходного .S22 коэффициентов отражения 5ц —S22- Фото резонатора приведено на рисунке 6.
Резонансную частоту резонатора с образцом /0. полосу пропускания на уровне половинной
мощности fun- и вносимое ослабление /Аи (дБ) на частоте /{) измеряют с использованием анализатора цепей в режиме сканирования по частоте. Значение собственной добротности резонатора с образцом Ои определяют по формуле
Рисунок 5 - Резонатор с диэлектрическим образцом (а) и без образца (б)
