Д.Г. Фомин, Н.В. Дударев, С.Н. Даровских, Д.С. Клыгач, М.Г. Вахитов

 Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет) (г. Челябинск, Россия)

Постановка проблемы. Одной из актуальных проблем использования радиоматериалов на высоких и сверхвысоких частотах (СВЧ) является проблема реализации повышенных требований к точности оценки их диэлектрических свойств от условий их последующего применения в радиоэлектронной аппаратуре. В настоящее время для оценки диэлектрических свойств радиоматериалов на указанных частотах применяются нерезонансные и резонансные методы. Нерезонансные методы целесообразно использовать при неразрушающем контроле листовых материалов большой площади. Для их реализации требуется применение дорогостоящего векторного анализатора цепей. Резонансные методы применяются при ограниченном количестве исследуемого вещества или при порошковом его состоянии. При реализации этих методов основным исследуемым параметром является частота смещения электрического резонанса и, как следствие, необходимо знание только амплитудных значений коэффициентов передачи и отражения. Эта особенность позволяет проводить СВЧ-измерения резонансным методом при использовании скалярного анализатора цепей, имеющего более низкую стоимость в сравнении с векторным анализатором, что является преимуществом в ряде случаев. Одно из перспективных направлений развития резонансного метода измерений − его реализация на основе использования объемно-модульной технологии, в частности, на основе многослойного полосковощелевого (МПЩ) перехода, но исследования по эффективности его применения как устройства с перестраиваемой частотой электрического резонанса отсутствуют. Поэтому необходимо проведение таких исследований, которые теоретически и экспериментально обосновали бы эффективность применения МПЩ-перехода для реализации резонансного метода измерения диэлектрических свойств материалов.

Цель. Исследовать эффективность использования МПЩ-перехода в качестве базового элемента для реализации резонансного метода СВЧ-измерений диэлектрических свойств материалов.

Результаты. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований резонансных свойств МПЩ-перехода. Показано, что его применение позволяет реализовать оригинальное объемно-модульное устройство для резонансного метода СВЧ-измерения диэлектрических свойств материалов. Разработана эквивалентная схема в виде каскадного соединения четырехполюсников. Получены результаты математического моделирования МПЩ-перехода, которые доказывают возможность реализации на его основе резонансного метода СВЧ-измерения диэлектрических свойств материалов. Экспериментальные исследования проведены на макете объемно-модульного устройства с МПЩ-переходом с использованием в качестве исследуемого материала порошка, представляющего частично замещенный титаном гексаферрит бария BaFe10Ti2O19. Установлено, что совпадение результатов математического моделирования и экспериментальных исследований составляет более 95%, а погрешность в оценке относительной диэлектрической проницаемости использованного порошкового материала не превышает 4,5 %. 

Практическая значимость. Результаты проведенного исследования показали возможность использования МПЩ-перехода в качестве базового элемента для реализации резонансного метода измерений диэлектрических свойств материалов. Преимуществами предложенной конструкции являются компактность и возможность измерения диэлектрических свойств порошковых материалов при использовании скалярного анализатора цепей.

Фомин Д.Г., Дударев Н.В., Даровских С.Н., Клыгач Д.С., Вахитов М.Г. Резонансные свойства многослойного полосково-щелевого перехода и его использование для СВЧ-измерений диэлектрических свойств материалов // Радиотехника. 2021. Т. 85.  № 8. С. 101−110. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202108-11

1. Беляев А.А., Беспалова Е.Е., Паярель С.М. Особенности измерения диэлектрических характеристик с помощью щелевого резонатора // Труды ВИАМ. 2017. № 9(57). С. 66−74.
2. Беляев А.А., Романов А.М., Широков В.В., Шульдешов Е.М. Измерение диэлектрической проницаемости стеклотекстолита в свободном пространстве // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журнал. 2014. № 5.
3. Широков В.В., Романов А.М. Исследование диэлектрических характеристик стеклотекстолита волноводным методом // Авиационные материалы и технологии. 2013. № 4. С. 62−68.
4. Handoko E., Mangasi A.M., Iwan S., Randa M., Alaydrus M. Measurement of complex permittivity and permeability of hexagonal ferrite composite material using a waveguide in microwave band // Proceedings of International Conference on Radar Antenna Microwave Electronics and Telecommunications ICRAMET. 2016. Р. 28−30.
5. Ebara H., Inoue T., Hashimoto O. Measurement method of complex permittivity and permeability for a powdered material using a waveguide in microwave band // Science and Technology of Advanced Materials. January 2006. V. 7. № 1. Р. 77−83.  
6. Дьяконова О.А., Казанцев Ю.Н., Каленов Д.С. Измерительный комплекс для определения электромагнитных характеристик материалов резонаторным методом с помощью скалярных анализаторов цепей // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2017. № 7. С. 1−13.
7. Fomin D.G., Dudarev N.V., Darovskikh S.N. Scattering matrix simulation of the volumetric strip-slot transition and estimation of its frequency properties // Proc. of II Int. Scientific Conf. on Applied Physics, Information Technologies and Engineering, Krasnoyarsk, Russian Federation. 2020. Р. 1–6.
8. Kostenetskiy P., Semenikhina P. SUSU Supercomputer Resources for Industry and fundamental Science // 2018 Global Smart Industry Conference (GloSIC) // IEEE. 2018. Р. 1–7.
9. Vinnik D.A., Klygach D.S., Zhivulin V.E., Malkin A.I., Vakhitov M.G., Gudkova S.A., Galimov D.M., Zherebtsov D.A., Trofimov E.A., Knyazev N.S., Atuchin V.V., Trukhanov S.V., Trukhanov A.V. Electromagnetic properties of BaFe12O19:Ti at centimeter wavelengths // Journal of Alloys and Compounds. 2018. Р. 177–183.
10. Nicolson A.M., Ross G.F. Measurement of the intrinsic properties of materials by time domain techniques // IEEE Trans. Instrum. Meas. Nov. 1970. V. IM-19. Р. 377−382.