[go: up one dir, main page]

RU2694110C1 - Method of determining dielectric permeability and thickness of multilayer dielectric coatings on metal in the microwave range - Google Patents

Method of determining dielectric permeability and thickness of multilayer dielectric coatings on metal in the microwave range Download PDF

Info

Publication number
RU2694110C1
RU2694110C1 RU2018129400A RU2018129400A RU2694110C1 RU 2694110 C1 RU2694110 C1 RU 2694110C1 RU 2018129400 A RU2018129400 A RU 2018129400A RU 2018129400 A RU2018129400 A RU 2018129400A RU 2694110 C1 RU2694110 C1 RU 2694110C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
dielectric
thickness
coating
multilayer
layers
Prior art date
Application number
RU2018129400A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Игоревич Казьмин
Павел Александрович Федюнин
Original Assignee
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации filed Critical Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации
Priority to RU2018129400A priority Critical patent/RU2694110C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2694110C1 publication Critical patent/RU2694110C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Length-Measuring Devices Using Wave Or Particle Radiation (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: use: to determine dielectric permeability and thickness of multilayer solid samples on metal surface. Essence of the invention consists in the fact that the method consists in creation of UHF electromagnetic field of traveling surface wave of type E above surface of dielectric-metal in single-mode mode, measurement on the normal to dielectric-metal surface of the attenuation coefficient and determining the relative dielectric permeability of the coating e and its thickness b, additionally excite surface electromagnetic waves of the E-type in series at 2N-wavelengths, N is number of layers of coating, attenuation factor of each surface electromagnetic wave is measured, based on measurement results is system of 2N-dispersion equations, and relative dielectric permeability εn, εn+1, …, εN and thickness bn, bn+1, …, bN layers of multilayer coating are determined by solving this system.
EFFECT: possibility of increasing accuracy and reliability of measurement of dielectric permeability and thickness of multilayer dielectric coatings at their selective control with obtaining information on each layer separately.
1 cl, 3 dwg, 1 tbl

Description

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для определения диэлектрической проницаемости и толщины многослойных твердых образцов на поверхности металла, и может быть использовано при контроле качества твердых многослойных диэлектрических покрытий на металле в процессе разработки и эксплуатации радиопоглощающих материалов и покрытий, а также в химической, лакокрасочной и других отраслях промышленности.The present invention relates to a measurement technique, in particular, to devices for determining the dielectric constant and thickness of multi-layer solid samples on a metal surface, and can be used to control the quality of solid multi-layer dielectric coatings on metal during the development and operation of radio absorbing materials and coatings, as well as chemical, paint and varnish and other industries.

Наиболее близким по технической сущности к предполагаемому изобретению (прототипом) является СВЧ способ определения диэлектрической проницаемости и толщины диэлектрических покрытий на металле [Патент RU №2193184, МПК7 G01N 22/00, G01R 27/26, Заявл. 23.01.01. Опубл. 20.11.02. Бюл№32], заключающийся в создании СВЧ-электромагнитного поля бегущей поверхностной волны типа Е над поверхностью диэлектрик-металл в одномодовом режиме, измерении по нормали к поверхности диэлектрик-металл коэффициента затухания и определении относительной диэлектрической проницаемости покрытия ε и его толщины b.The closest in technical essence to the proposed invention (prototype) is a microwave method for determining the dielectric constant and thickness of dielectric coatings on metal [Patent RU №2193184, IPC 7 G01N 22/00, G01R 27/26, Appl. 01/23/01. Publ. 11/20/02. Bulletin 32], which consists in creating a microwave electromagnetic field of a traveling surface wave of type E above the dielectric-metal surface in a single-mode mode, measuring the attenuation coefficient normal to the dielectric-metal surface and determining the relative dielectric constant ε of the coating and its thickness b.

Недостатками данного способа являются низкая точность и достоверность измерения диэлектрической проницаемости и толщины многослойных диэлектрических покрытий.The disadvantages of this method are the low accuracy and accuracy of the measurement of the dielectric constant and thickness of multilayer dielectric coatings.

Техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение точности и достоверности измерения диэлектрической проницаемости и толщины многослойных диэлектрических покрытий при их селективном контроле с получением информации о каждом слое в отдельности.The technical result of the proposed invention is to improve the accuracy and reliability of measuring the dielectric constant and thickness of multilayer dielectric coatings with their selective control with obtaining information about each layer separately.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном СВЧ способе определения диэлектрической проницаемости и толщины диэлектрических покрытий на металле в диапазоне СВЧ, заключающемся в создании СВЧ-электромагнитного поля бегущей поверхностной волны типа Е над поверхностью диэлектрик-металл в одномодовом режиме, измерении по нормали к поверхности диэлектрик-металл коэффициента затухания и определении относительной диэлектрической проницаемости покрытия ε и его толщины b, дополнительно возбуждают поверхностные электромагнитные волны Е-типа последовательно на 2N - длинах волн, N - количество слоев покрытия, измеряют коэффициент затухания каждой поверхностной электромагнитной волны, по результатам измерения составляют систему 2N -дисперсионных уравнений, а относительные диэлектрические проницаемости εn, εn+1, …, εN и толщины bn, bn+1, …, bN слоев многослойного покрытия определяют путем решения этой системы.This technical result is achieved by the fact that in a known microwave method for determining the dielectric constant and thickness of dielectric coatings on a metal in the microwave range, which consists in creating a microwave electromagnetic field of a traveling surface type E wave above the dielectric-metal surface in a single-mode mode, measured along the normal to the surface dielectric-metal attenuation coefficient and determination of the relative dielectric constant of the coating ε and its thickness b, additionally excite surface electro E-type magnetic waves are successively at 2N - wavelengths, N is the number of coating layers, the attenuation coefficient of each surface electromagnetic wave is measured, the measurement results form a system of 2N -dispersion equations, and the relative permittivities ε n , ε n + 1 , ..., ε N and thickness b n , b n + 1 , ..., b N layers of the multilayer coating is determined by solving this system.

Сущность изобретения состоит в следующем. В прототипе производится измерение значений коэффициента затухания αу для двух длин волн поверхностной волны Е- типа в одномодовом режиме, что позволяет составить систему из двух уравнений с неизвестными относительной диэлектрической проницаемостью ε и толщиной b и получить их однозначные значения, путем решения этой системы, только для однослойного покрытия. При контроле многослойных покрытий, с числом слоев N, прототип не позволяет произвести однозначное определение диэлектрических проницаемостей εn, εn+1, …, εN и толщин bn, bn+1, …, bN отдельных слоев покрытия, так как при измерениях не учитывается изменение коэффициента фазы поверхностной волны в отдельных слоях покрытия. Кроме того, для приемлемой точности измерений требуется сохранение одномодового режима возбуждения поля поверхностной волны. Таким образом, применение прототипа для контроля многослойного диэлектрического покрытия с числом слоев N позволяет определить только одно среднеинтегральное значение диэлектрической проницаемости εср и толщины bcp с учетом одновременного влияния всех слоев покрытия, что приводит к неоднозначности интерпретации результатов и не позволяет получить измерительную информацию об относительных диэлектрических проницаемостях εn, εn+1, …, εN и толщинах bn, bn+1, …, bN отдельных слоев покрытия, что приводит к уменьшению достоверности и точности измерений.The invention consists in the following. In the prototype, the attenuation coefficient α y is measured for two wavelengths of the E-type surface wave in a single-mode mode, which makes it possible to compose a system of two equations with unknown relative dielectric constant ε and thickness b and obtain their unique values by solving this system for single-layer coating. When controlling multilayer coatings with the number of layers N, the prototype does not allow one to uniquely determine the dielectric constant ε n , ε n + 1 , ..., ε N and the thicknesses b n , b n + 1 , ..., b N of the individual layers of the coating, since the measurement does not take into account the change in the phase coefficient of the surface wave in individual layers of the coating. In addition, for an acceptable measurement accuracy, it is necessary to preserve the single-mode excitation mode of the surface wave field. Thus, the use of a prototype to control a multilayer dielectric coating with the number of layers N allows only one integral integral of the dielectric constant ε av and thickness b cp to be determined taking into account the simultaneous influence of all the layers of the coating, which leads to ambiguity in the interpretation of the results and does not allow to obtain measurement information on the relative dielectric constants ε n, ε n + 1, ..., ε N and thicknesses b n, b n + 1, ..., b N of individual layers of the coating, which reduces the reliability and tochnos and measurements.

Предлагаемый способ в отличие от прототипа позволяет повысить достоверность и точность измерения диэлектрической проницаемости и толщины многослойных диэлектрических покрытий. Исследуемое многослойное диэлектрическое покрытие с числом слоев N имеет 2N неизвестных измеряемых параметров: N неизвестных диэлектрических проницаемостей εn, εn+1, …, εN и N неизвестных толщин bn, bn+1, …, bN. В предлагаемом способе дополнительно возбуждают поверхностные электромагнитные волны Е-типа на 2N-длинах волн

Figure 00000001
и производят измерение их коэффициентов затухания
Figure 00000002
при этом ограничения на одномодовость возбуждаемой поверхностной волны нет, что позволяет использовать любые другие высшие типы мод волны Е- типа. Это позволяет определить относительные диэлектрические проницаемости εn, εn+1, …, εN и толщины bn, bn+1, …, bN отдельных слоев многослойного покрытия путем составления и решения системы из 2N дисперсионных уравнений с 2N неизвестными, входными параметрами для которых являются измеренные коэффициенты затухания
Figure 00000003
при этом каждое уравнение позволяет учесть изменение коэффициента фазы в отдельных слоях покрытия и тип моды поверхностной волны.The proposed method in contrast to the prototype allows to increase the reliability and accuracy of measuring the dielectric constant and thickness of multilayer dielectric coatings. The investigated multilayer dielectric coating with the number of layers N has 2N unknown measured parameters: N unknown dielectric constants ε n , ε n + 1 , ..., ε N and N unknown thicknesses b n , b n + 1 , ..., b N. In the proposed method, the E-type surface electromagnetic waves are additionally excited at 2N-wavelengths
Figure 00000001
and measure their attenuation
Figure 00000002
at the same time, there is no limit on the single-mode nature of the excited surface wave, which allows using any other higher types of E-type wave modes. This allows us to determine the relative dielectric permeabilities ε n , ε n + 1 , ..., ε N and thickness b n , b n + 1 , ..., b N of the individual layers of the multilayer coating by compiling and solving a system of 2N dispersion equations with 2N unknown, input parameters for which are measured attenuation factors
Figure 00000003
Moreover, each equation allows to take into account the change in the phase coefficient in the individual layers of the coating and the type of surface wave mode.

На фиг. 1 представлен один из возможных вариантов реализации предлагаемого способа определения диэлектрической проницаемости и толщины многослойных диэлектрических покрытий на металле в диапазоне СВЧ, где цифрами обозначено 1 - блок измерения коэффициентов затухания поверхностной волны Е- типа, 2 - приемная антенна, 3 - генератор СВЧ, 4 - антенна возбуждения поверхностных волн Е-типа, 5 - металлическая поверхность; 6 - многослойное диэлектрическое покрытие с числом слоев N и неизвестными значениями относительных диэлектрических проницаемостей εn, εn+1, …, εN и толщин bn, bn+1, …, bN слоев, 7 - блок определения относительных диэлектрических проницаемостей и толщин многослойного покрытия. Назначение элементов схемы.FIG. 1 shows one of the possible options for implementing the proposed method for determining the dielectric constant and thickness of multilayer dielectric coatings on a metal in the microwave range, where the numbers denote 1 - the unit measuring the attenuation coefficients of the E-type surface wave, 2 - the receiving antenna, 3 - the microwave generator, 4 - E-type surface wave excitation antenna, 5 - metal surface; 6 - multilayer dielectric coating with the number of layers N and unknown values of the relative dielectric constant ε n , ε n + 1 , ..., ε N and thickness b n , b n + 1 , ..., b N layers, 7 - unit for determining the relative dielectric constant and the thickness of the multilayer coating. The purpose of the elements of the scheme.

Назначение блока измерения коэффициентов затухания поверхностной волны Е-типа 1 следует из названия самого блока. Измерение коэффициентов затухания может быть осуществлено по результатам косвенных измерений напряженности поля поверхностной волны Е-типа по нормали к поверхности покрытия [Федюнин П.А., Казьмин А.И. Способы радиоволнового контроля параметров защитных покрытий авиационной техники. М.: Физматлит. 2013. стр. 122].The purpose of the unit for measuring the attenuation coefficients of an E-type 1 surface wave follows from the name of the unit itself. Measurement of attenuation coefficients can be carried out according to the results of indirect measurements of the field strength of an E-type surface wave normal to the surface of the coating [P. Fedyunin, A. Kazmin. Methods of radio wave monitoring of the parameters of protective coatings for aircraft. M .: Fizmatlit. 2013. p. 122].

Блок измерения коэффициентов затухания поверхностной волны Е-типа 1 может быть реализован, например, на основе детекторных СВЧ-диодов, аналогово-цифрового преобразователя, микроконтроллера и персональной электронной вычислительной машины (ПЭВМ) [Branislav Korenko и Marek

Figure 00000004
Автономный цифровой вольтметр на многоканальном АЦП. Электронный журнал Радиолоцман, 2012, ноябрь. С. 67-70. URL: http://www.rlocman.ru /book/book.html?di=144227 (Дата обращения: 11.07.2018)].The unit for measuring the attenuation coefficients of an E-type 1 surface wave can be implemented, for example, on the basis of microwave detector diodes, an analog-to-digital converter, a microcontroller, and a personal electronic computer (PC) [Branislav Korenko and Marek
Figure 00000004
Stand-alone digital voltmeter on a multi-channel ADC. Electronic Journal Radiolotsman, 2012, November. Pp. 67-70. URL: http://www.rlocman.ru/book/book.html?di=144227 (Revised: 07.07.2018)].

Приемная антенна 2 присуща аналогу. Приемная антенна может быть реализована на основе полуволнового вибратора [Федюнин П.А., Казьмин А.И. Способы радиоволнового контроля параметров защитных покрытий авиационной техники. М: Физматлит. 2013. стр. 117].Receiving antenna 2 is inherent in the analog. The receiving antenna can be implemented on the basis of a half-wave vibrator [Fedyunin PA, Kazmin A.I. Methods of radio wave monitoring of the parameters of protective coatings for aircraft. M: Fizmatlit. 2013. p. 117].

Генератор СВЧ 3 присущ аналогу и реализует формирование СВЧ сигнала на заданной длине волны для антенны возбуждения поверхностных волн Е-типа 4. Генератор СВЧ может быть построен на основе микросхем типа HMC586LC4B и ADF4158 [Direct Modulation / Generating. 6,1 GHz Fractional-N Frequency Synthesizer. [Электронный ресурс] URL: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data- sheets /ADF4158.pdf (Дата обращения: 11.07.2018)].The microwave generator 3 is inherent in the analog and realizes the formation of the microwave signal at a given wavelength for the E-type 4 surface wave excitation antenna. The microwave generator can be built on the basis of microcircuits of the type HMC586LC4B and ADF4158 6.1 GHz Fractional-N Frequency Synthesizer. [Electronic resource] URL: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data- sheets /ADF4158.pdf (Revised: 07.07.2018)].

Антенна возбуждения поверхностных волн Е-типа 4 присуща аналогу и реализует последовательное возбуждение поверхностных волн Е-типа в многослойном диэлектрическом покрытии с числом слоев N и неизвестными значениями относительных диэлектрических проницаемостей εn, εn+1, …, εN и толщин bn, bn+1, …, bN слоев 6 на металлическом основании 5. Антенна возбуждения поверхностных волн Е-типа может быть реализована на основе пирамидального рупора [Федюнин П.А., Казьмин А.И. Способы радиоволнового контроля параметров защитных покрытий авиационной техники. М.: Физматлит. 2013. С. 117, С. 146-147].An antenna for the excitation of E-type 4 surface waves is inherent in the analogue and implements the sequential excitation of E-type surface waves in a multilayer dielectric coating with the number of layers N and unknown values of relative dielectric constant ε n , ε n + 1 , ..., ε N and thicknesses b n , b n + 1 , ..., b N layers 6 on a metal base 5. An antenna for the excitation of E-type surface waves can be implemented on the basis of a pyramidal horn [P. Fedyunin, A. A. Kazmin. Methods of radio wave monitoring of the parameters of protective coatings for aircraft. M .: Fizmatlit. 2013. p. 117, p. 146-147].

Назначение блока определения относительных диэлектрических проницаемостей и толщин многослойного покрытия 7 следует из названия самого блока. Блок определения относительных диэлектрических проницаемостей и толщин многослойного покрытия 7 может быть реализован путем решения 2N - дисперсионных уравнений, полученных обобщением метода поперечного резонанса [David М. Pozar Microwave engineering. USA: John Wiley & Sons, 2012. PP 153-154] для случая покрытия с числом слоев N.The purpose of the block for determining the relative dielectric constant and thickness of the multilayer coating 7 follows from the name of the block itself. The unit for determining the relative dielectric constant and thickness of the multilayer coating 7 can be implemented by solving 2N - dispersion equations obtained by generalizing the transverse resonance method [David M. Pozar Microwave engineering. USA: John Wiley & Sons, 2012. PP 153-154] for a coating case with the number of layers N.

Каждое из 2N дисперсионных уравнений составляется следующим образом.Each of the 2N dispersion equations is composed as follows.

В качестве исходных данных для составления дисперсионного уравнения принимают, что многослойное диэлектрическое покрытие характеризуется относительными диэлектрическими проницаемостями εn и толщинами bn,

Figure 00000005
, где N - количество слоев покрытия. Область над многослойным покрытием для удобства составления дальнейших расчетных выражений формально берется в виде отдельного слоя покрытия с номером N+1 и диэлектрической проницаемостью εN+10, где ε0 - электрическая постоянная.As the initial data for the compilation of the dispersion equation, it is assumed that the multilayer dielectric coating is characterized by relative dielectric permeabilities ε n and thicknesses b n ,
Figure 00000005
where N is the number of layers of the coating. The area above the multilayer coating for the convenience of compiling further design expressions is formally taken as a separate coating layer with the number N + 1 and the dielectric constant ε N + 1 = ε 0 , where ε 0 is the electric constant.

На фиг. 2 приведена расчетная схема для нахождения дисперсионного уравнения многослойного диэлектрического покрытия на металлическом основании с числом слоев N+1 методом поперечного резонанса.FIG. 2 shows the design scheme for finding the dispersion equation of a multilayer dielectric coating on a metal base with the number of layers N + 1 using the transverse resonance method.

На основе метода поперечного резонанса [David М. Pozar Microwave engineering. USA: John Wiley & Sons, 2012. PP 153-154] каждому слою многослойного диэлектрического покрытия сопоставляется в соответствие четырехполюсник, который представляет собой отрезок линии передачи с длиной равной толщине слоя bn и соответствующим характеристическим сопротивлением Zn. Таким образом, многослойное диэлектрическое покрытие заменяется эквивалентной схемой связанных линий передачи. Эквивалентная схема многослойного диэлектрического покрытия приведена на фиг. 3.Based on the transverse resonance method [David M. Pozar Microwave engineering. USA: John Wiley & Sons, 2012. PP 153-154] each layer of a multilayer dielectric coating is mapped to a quadrupole, which is a segment of the transmission line with a length equal to the thickness of the layer b n and the corresponding characteristic resistance Z n . Thus, the multilayer dielectric coating is replaced by an equivalent circuit of related transmission lines. The equivalent circuit of the multilayer dielectric coating is shown in FIG. 3

Дисперсионное уравнение многослойного диэлектрического покрытия на основе полученной эквивалентной схемы составляется при условии работы ее в «резонанс» - момента, когда в многослойном диэлектрическом покрытии поверхностная волна имеет критическую частоту. При этом в качестве дисперсионного уравнения для собственных волн в многослойном диэлектрическом покрытии может использоваться уравнение поперечного резонанса, записанное относительно произвольно выбранного опорного сечения у0 [формула (3.206) Р. 154 [David М. Pozar Microwave engineering. USA: John Wiley & Sons, 2012]:The dispersion equation of a multilayer dielectric coating on the basis of the obtained equivalent circuit is compiled under the condition of its operation in “resonance” - the moment when the surface wave in the multilayer dielectric coating has a critical frequency. Moreover, as a dispersion equation for eigen waves in a multilayer dielectric coating, the transverse resonance equation can be used, written for an arbitrarily selected reference cross section at 0 [formula (3.206) P. 154 [David M. Pozar Microwave engineering. USA: John Wiley & Sons, 2012]:

Figure 00000006
Figure 00000006

где

Figure 00000007
и
Figure 00000008
- эквивалентные характеристические сопротивления «вверх» и «вниз» относительно произвольно выбранного опорного сечения у0.Where
Figure 00000007
and
Figure 00000008
- equivalent characteristic resistance "up" and "down" with respect to an arbitrarily selected reference section y 0 .

Для удобства дальнейших преобразований в качестве опорного сечения у0 выбирают границу между металлическим основанием и первым слоем покрытия.For convenience of further transformations, the boundary between the metal base and the first coating layer is chosen as the reference cross section y 0 .

Коэффициент затухания поля поверхностной волны αу связан с постоянной распространения γ и коэффициентом фазы qn поверхностной волны отдельных слоев многослойного диэлектрического покрытия следующими зависимостями [Баскаков С.И. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Высшая школа. 1992. С. 311, С. 314]:The attenuation coefficient of the surface wave field α у is related to the propagation constant γ and the phase coefficient q n of the surface wave of individual layers of a multilayer dielectric coating by the following dependencies [S. Baskakov. Electrodynamics and propagation of radio waves. M .: High School. 1992. p. 311, p. 314]:

- область над многослойным покрытием с числом слоев N:- the area above the multilayer coating with the number of layers N:

Figure 00000009
Figure 00000009

где γ - постоянная распространения поверхностной волны; k0 - волновое число свободного пространства,

Figure 00000010
λ - длина волны генератора;where γ is the propagation constant of the surface wave; k 0 is the wavenumber of free space,
Figure 00000010
λ is the generator wavelength;

- в каждом слое многослойного диэлектрического покрытия с числом слоев N:- in each layer of a multilayer dielectric coating with the number of layers N:

Figure 00000011
Figure 00000011

где kn - волновое число n-слоя покрытия,

Figure 00000012
εn - относительная диэлектрическая проницаемость n-слоя покрытия; N - число слоев покрытия.where k n is the wave number of the n-layer of the coating,
Figure 00000012
ε n is the relative dielectric constant of the n-layer of the coating; N is the number of coating layers.

С учетом выражений (2, 3) характеристические сопротивления слоев покрытия для поверхностных волн Е-типа Zn, Zn+1, …, ZN+l [формула 5, Р.89 [Andreas Patrovsky, Ke Wu Dielectric Slab Mode Antenna for Integrated Millimeter-wave Transceiver Front-ends // Universal Journal of Electrical and Electronic Engineering, 2013. № 1(3)] выражаются через коэффициент затухания поля поверхностной волны αy:Taking into account expressions (2, 3), the characteristic resistances of the coating layers for E-type surface waves Z n , Z n + 1 , ..., Z N + l [Formula 5, R.89 [Andreas Patrovsky, Ke Wu Dielectric Slab Mode Antenna for Integrated Millimeter-wave Transceiver Front-ends // Universal Journal of Electrical and Electronic Engineering, 2013. No. 1 (3)] are expressed in terms of the attenuation coefficient of the surface wave field α y :

-характеристическое сопротивление области над многослойным покрытием с числом слоев N:-characteristic resistance of the area above the multilayer coating with the number of layers N:

Figure 00000013
Figure 00000013

где ω=2πƒ - круговая частота,

Figure 00000014
с - скорость света в свободном пространстве; λ - длина волны генератора, ε0 - электрическая постоянная;
Figure 00000015
- мнимая единица; Z0 - характеристическое свободного пространства;where ω = 2πƒ is the circular frequency,
Figure 00000014
c is the speed of light in free space; λ is the generator wavelength, ε 0 is the electric constant;
Figure 00000015
- imaginary unit; Z 0 - characteristic of free space;

- характеристические сопротивления каждого слоя многослойного диэлектрического покрытия с числом слоев N:- the characteristic resistance of each layer of a multilayer dielectric coating with the number of layers N:

Figure 00000016
Figure 00000016

где qn - коэффициент фазы поверхностной волны, определяемое по выражению (3); ε0 - электрическая постоянная; ω=2πƒ - круговая частота,

Figure 00000017
с - скорость света в свободном пространстве, λ - длина волны генератора; εn - относительная диэлектрическая проницаемость n-слоя покрытия; N - число слоев покрытия.where q n is the phase coefficient of the surface wave, determined by expression (3); ε 0 is the electric constant; ω = 2πƒ - circular frequency,
Figure 00000017
c is the speed of light in free space, λ is the generator wavelength; ε n is the relative dielectric constant of the n-layer of the coating; N is the number of coating layers.

Характеристическое сопротивление «вверх»

Figure 00000018
относительно опорного сечения у0 представляет собой эквивалентное характеристическое сопротивление слоев с
Figure 00000019
. Его можно получить путем последовательного применения формулы трансформации волновых сопротивлений методом теории цепей [формула 4, Р.89 [Andreas Patrovsky, Ke Wu Dielectric Slab Mode Antenna for Integrated Millimeter-wave Transceiver Front-ends // Universal Journal of Electrical and Electronic Engineering, 2013. №1(3)]:Characteristic resistance "up"
Figure 00000018
relative to the reference section y 0 is the equivalent characteristic resistance of the layers with
Figure 00000019
. It can be obtained by successively applying the formula of wave resistance transformation by the method of the theory of circuits [Formula 4, R.89 [Andreas Patrovsky, Ke Wu Dielectric Slab Mode Antenna for Integrated Millimeter-wave Transceiver Front-ends // Universal Journal of Electrical and Electronic Engineering, 2013 # 1 (3)]:

Figure 00000020
Figure 00000020

где

Figure 00000021
- характеристическое сопротивление n-слоя покрытия, нагруженного на характеристическое сопротивление n+1-слоя покрытия; Zn - характеристическое сопротивление n-слоя покрытия; Zn+1 - характеристическое сопротивление n+1 -слоя покрытия.Where
Figure 00000021
- the characteristic resistance of the n-layer of the coating, loaded on the characteristic resistance of the n + 1-layer of the coating; Z n - the characteristic resistance of the n-layer coating; Z n + 1 is the characteristic resistance of the n + 1 coating layer.

Расчетная схема для нахождения характеристического сопротивления «вверх»

Figure 00000022
путем трансформации сопротивлений слоев многослойного покрытия приведена на фиг 3.The design scheme for finding the characteristic resistance "up"
Figure 00000022
by transforming the resistance of the layers of the multilayer coating is shown in Fig 3.

На основании фиг. 3 и выражения (8) последовательные этапы трансформации представляются следующей рекурсивной формулой, справедливой при числе слоев покрытия N от 2 и более:Based on FIG. 3 and expressions (8) the successive stages of transformation are represented by the following recursive formula, valid for the number of coating layers N from 2 and more:

Figure 00000023
Figure 00000023

Таким образом, эквивалентное характеристическое сопротивление «вверх»

Figure 00000024
относительно опорного сечения у0 равно характеристическому сопротивлению
Figure 00000025
полученному в результате последовательной трансформации сопротивлений слоев с номерами
Figure 00000026
Thus, the equivalent characteristic resistance "up"
Figure 00000024
with respect to the reference section y 0 is equal to the characteristic resistance
Figure 00000025
resulting from the sequential transformation of the resistance of the layers with the numbers
Figure 00000026

Figure 00000027
Figure 00000027

Характеристическое сопротивления «вниз» относительно опорного сечения у0 принимается равным нулю

Figure 00000028
так как ниже его слоев покрытия нет.Characteristic resistance "down" relative to the reference section at 0 is assumed to be zero
Figure 00000028
since there are no layers below it.

Таким образом, итоговое дисперсионное уравнение для многослойного диэлектрического покрытия на основе (1) представляется в следующем виде:Thus, the final dispersion equation for a multilayer dielectric coating based on (1) is represented as follows:

Figure 00000029
Figure 00000029

где

Figure 00000030
- эквивалентное характеристическое сопротивление слоев покрытия
Figure 00000031
определяемое по рекурсивной формуле (9).Where
Figure 00000030
- equivalent characteristic resistance of coating layers
Figure 00000031
determined by the recursive formula (9).

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Перед началом проведения измерений в блок определения относительных диэлектрических проницаемостей и толщин 7 вводят количество слоев N исследуемого многослойного диэлектрического покрытия.Before starting the measurements, the number of layers N of the multilayer dielectric coating under investigation is introduced into the unit for determining the relative dielectric constants and thicknesses 7.

С помощью генератора СВЧ 3 и антенны возбуждения поверхностных волн Е-типа 4 в исследуемом многослойном диэлектрическом покрытии, с числом слоев N, последовательно возбуждают поверхностные электромагнитные волны Е-типа на 2N - длинах волн

Figure 00000032
.Using the microwave generator 3 and the E-type 4 surface wave excitation antenna in the multilayer dielectric coating under study, with the number of layers N, the E-type surface electromagnetic waves are successively excited at 2N - wavelengths
Figure 00000032
.

С помощью приемной антенны 2 и блока измерения коэффициентов затухания 1 для каждой из 2N поверхностных волн Е-типа производят измерение значений коэффициентов затухания

Figure 00000033
, соответственно.Using the receiving antenna 2 and the attenuation coefficient measurement unit 1 for each of the 2N E-type surface waves, the attenuation coefficient values are measured
Figure 00000033
, respectively.

Измеренные коэффициенты затухания

Figure 00000034
поступают в блок определения относительных диэлектрических проницаемостей и толщин 7.Measured attenuation factors
Figure 00000034
enter the unit for determining the relative dielectric constant and thickness 7.

Для каждой из 2N поверхностных волн Е-типа с длинами волн

Figure 00000035
и коэффициентами затухания
Figure 00000036
соответственно, составляют дисперсионное уравнение вида (11). Получают 2N - дисперсионных уравнений.For each of the 2N E-type surface waves with wavelengths
Figure 00000035
and attenuation coefficients
Figure 00000036
accordingly, constitute the dispersion equation of the form (11). Get 2N - dispersion equations.

Решение системы из 2N - дисперсионных уравнений с 2N неизвестными εn, εn+1, …, εN и bn, bn+1, …, bN:The solution of a system of 2N - dispersion equations with 2N unknowns ε n , ε n + 1 , ..., ε N and b n , b n + 1 , ..., b N :

Figure 00000037
Figure 00000037

где

Figure 00000038
- дисперсионные уравнения многослойного покрытия с числом слоев N для каждой длины волны поверхностной волны Е-типа
Figure 00000039
соответственно,Where
Figure 00000038
- dispersion equations of a multilayer coating with the number of layers N for each wavelength of an E-type surface wave
Figure 00000039
respectively,

позволяет произвести селективное определение относительных диэлектрических проницаемостей εn, εn+1, …, εN и толщин bn, bn+1, …, bN многослойного покрытия с числом слоев N.allows you to make a selective determination of the relative dielectric constant ε n , ε n + 1 , ..., ε N and thickness b n , b n + 1 , ..., b N multi-layer coating with the number of layers N.

Для проверки работоспособности способа проведены экспериментальные исследования по измерению относительных диэлектрических проницаемостей и толщин многослойных СВЧ-диэлектрических материалов. Были исследованы СВЧ диэлектрические материалы фирмы Rogers широко применяемые для изготовления многослойных печатных плат. Были изготовлены и исследованы двух, трех и четырех слойные покрытия на основе данных материалов [Богданов Ю., Кочемасов В., Хасьянов Е. Фольгированные диэлектрики - как выбрать оптимальный вариант для печатных плат ВЧ/СВЧ-диапазонов. Часть 1 // Печатный монтаж. 2013. №2. С. 156-168].To test the performance of the method, experimental studies have been carried out to measure the relative dielectric constant and thickness of multilayer microwave dielectric materials. Microwave dielectric materials of the company Rogers widely used for the manufacture of multilayer printed circuit boards were investigated. Two, three and four layer coatings were made and investigated on the basis of these materials [Bogdanov Yu., Kochemasov V., Khasyanov E. Foil dielectrics - how to choose the best option for printed circuit boards of the RF / microwave ranges. Part 1 // Printed circuit. 2013. 2. Pp. 156-168].

Измерения относительных диэлектрических проницаемостей и толщин образцов покрытий осуществлялось в лабораторных условиях при комнатной температуре. Рабочие длины волн генератора следующие:

Figure 00000040
Figure 00000041
The relative dielectric constant and thickness of the coating samples were measured under laboratory conditions at room temperature. The working wavelengths of the generator are as follows:
Figure 00000040
Figure 00000041

Значения относительных диэлектрических проницаемостей и толщин соответствуют данным приведенным в [Богданов Ю., Кочемасов В., Хасьянов Е. Фольгированные диэлектрики - как выбрать оптимальный вариант для печатных плат ВЧ/СВЧ-диапазонов. Часть 1 // Печатный монтаж. 2013. №2. С. 156-168].The values of relative dielectric constants and thicknesses correspond to the data given in [Bogdanov Yu., Kochemasov V., Khasyanov E. Foil dielectrics - how to choose the best option for high frequency / high frequency printed circuit boards. Part 1 // Printed circuit. 2013. 2. Pp. 156-168].

Средние погрешности измерения относительных диэлектрических проницаемостей и толщин усредненные по 50 замерам для каждого образца приведены в таблице.The average measurement errors of the relative dielectric constant and thickness averaged over 50 measurements for each sample are shown in the table.

Приведенные экспериментальные данные многослойных СВЧ-диэлектрических покрытий показали принципиальную возможность измерения относительной диэлектрической проницаемости с относительной погрешностью не более 5% и толщины покрытия с относительной погрешностью не более 3% на основе разработанного способа.The presented experimental data of multilayer microwave dielectric coatings showed the fundamental possibility of measuring the relative dielectric constant with a relative error of no more than 5% and the thickness of the coating with a relative error of no more than 3% based on the developed method.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить достоверность и точность измерения относительной диэлектрической проницаемости и толщины многослойных диэлектрических покрытий при их селективном контроле с получением информации о каждом слое в отдельности.Thus, the proposed method allows to increase the reliability and accuracy of measuring the relative dielectric constant and thickness of multilayer dielectric coatings with their selective control with obtaining information about each layer separately.

Способ определения диэлектрической проницаемости и толщины многослойных диэлектрических покрытий на металле в диапазоне СВЧThe method of determining the dielectric constant and thickness of multilayer dielectric coatings on a metal in the microwave range

Figure 00000042
Figure 00000042

Claims (1)

Способ определения диэлектрической проницаемости и толщины диэлектрических покрытий на металле в диапазоне СВЧ, заключающийся в создании СВЧ-электромагнитного поля бегущей поверхностной волны типа Е над поверхностью диэлектрик-металл в одномодовом режиме, измерении по нормали к поверхности диэлектрик-металл коэффициента затухания и определении относительной диэлектрической проницаемости покрытия ε и его толщины b, отличающийся тем, что дополнительно возбуждают поверхностные электромагнитные волны Е-типа последовательно на 2N-длинах волн, N - количество слоев покрытия, измеряют коэффициент затухания каждой поверхностной электромагнитной волны, по результатам измерения составляют систему 2N-дисперсионных уравнений, а относительные диэлектрические проницаемости εn, εn+1,…, εN и толщины bn, bn+1,…, bN слоев многослойного покрытия определяют путем решения этой системы.Method for determining dielectric constant and thickness of dielectric coatings on a metal in the microwave range, consisting in creating a microwave electromagnetic field of a traveling surface type E wave over the dielectric-metal surface in a single-mode mode, measuring the attenuation coefficient normal to the surface of the dielectric-metal and determining the relative dielectric constant Coatings ε and its thickness b, characterized in that they additionally excite E-type surface electromagnetic waves successively in 2N lengths x waves, N - the number of layers of the coating, measured the attenuation coefficient of each surface electromagnetic wave, in the measuring results comprise a system of 2N-dispersion equations and the relative dielectric constants ε n, ε n + 1, ..., ε N and thickness b n, b n +1 , ..., b N layers of the multilayer coating is determined by solving this system.
RU2018129400A 2018-08-10 2018-08-10 Method of determining dielectric permeability and thickness of multilayer dielectric coatings on metal in the microwave range RU2694110C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018129400A RU2694110C1 (en) 2018-08-10 2018-08-10 Method of determining dielectric permeability and thickness of multilayer dielectric coatings on metal in the microwave range

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018129400A RU2694110C1 (en) 2018-08-10 2018-08-10 Method of determining dielectric permeability and thickness of multilayer dielectric coatings on metal in the microwave range

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2694110C1 true RU2694110C1 (en) 2019-07-09

Family

ID=67252392

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018129400A RU2694110C1 (en) 2018-08-10 2018-08-10 Method of determining dielectric permeability and thickness of multilayer dielectric coatings on metal in the microwave range

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2694110C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2750119C1 (en) * 2020-10-15 2021-06-22 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method for determining complex dielectric permeability and thickness of multilayer dielectric coatings in microwave range
RU2758390C1 (en) * 2020-12-29 2021-10-28 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method for determining the electrophysical parameters of dielectric and magnetodielectric coatings with frequency dispersion in the microwave range

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2039352C1 (en) * 1992-04-30 1995-07-09 Научно-исследовательский центр "Резонанс" Method of measuring dielectric permeabilities and thicknesses of layers of multilayer medium
JPH0996673A (en) * 1995-09-29 1997-04-08 Japan Radio Co Ltd Thickness measuring device
RU2193184C2 (en) * 2001-01-23 2002-11-20 Тамбовский военный авиационный инженерный институт Method of determination of dielectric permittivity and thickness of dielectric coats on metal
US6496018B1 (en) * 1998-09-25 2002-12-17 Oji Paper Co., Ltd. Method and device for measuring dielectric constant
RU2258214C1 (en) * 2004-03-17 2005-08-10 Тамбовский военный авиационный инженерный институт Method of measuring length, thickness and dielectric constant of dielectric coating on metal surface
WO2006091161A1 (en) * 2005-02-24 2006-08-31 Kambo Skans Ab System and method for determining characteristics of a moving material by using microwaves
RU2552106C1 (en) * 2014-04-29 2015-06-10 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Uhf method of determination of dielectric permeability and thickness of coatings on metal

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2039352C1 (en) * 1992-04-30 1995-07-09 Научно-исследовательский центр "Резонанс" Method of measuring dielectric permeabilities and thicknesses of layers of multilayer medium
JPH0996673A (en) * 1995-09-29 1997-04-08 Japan Radio Co Ltd Thickness measuring device
US6496018B1 (en) * 1998-09-25 2002-12-17 Oji Paper Co., Ltd. Method and device for measuring dielectric constant
RU2193184C2 (en) * 2001-01-23 2002-11-20 Тамбовский военный авиационный инженерный институт Method of determination of dielectric permittivity and thickness of dielectric coats on metal
RU2258214C1 (en) * 2004-03-17 2005-08-10 Тамбовский военный авиационный инженерный институт Method of measuring length, thickness and dielectric constant of dielectric coating on metal surface
WO2006091161A1 (en) * 2005-02-24 2006-08-31 Kambo Skans Ab System and method for determining characteristics of a moving material by using microwaves
RU2552106C1 (en) * 2014-04-29 2015-06-10 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Uhf method of determination of dielectric permeability and thickness of coatings on metal

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2750119C1 (en) * 2020-10-15 2021-06-22 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method for determining complex dielectric permeability and thickness of multilayer dielectric coatings in microwave range
RU2758390C1 (en) * 2020-12-29 2021-10-28 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method for determining the electrophysical parameters of dielectric and magnetodielectric coatings with frequency dispersion in the microwave range

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10067075B2 (en) Biosensor with integrated antenna and measurement method for biosensing applications
Heimovaara et al. Obtaining the spatial distribution of water content along a TDR probe using the SCEM-UA Bayesian inverse modeling scheme
US11079339B2 (en) Biosensor with integrated antenna and measurement method for biosensing applications
RU2694110C1 (en) Method of determining dielectric permeability and thickness of multilayer dielectric coatings on metal in the microwave range
RU2626409C1 (en) Method of measuring physical properties of liquid
Hanif et al. Compact complementary highly sensitive microwave planer sensor for reliable material dielectric characterization
RU2758390C1 (en) Method for determining the electrophysical parameters of dielectric and magnetodielectric coatings with frequency dispersion in the microwave range
RU2604094C1 (en) Uhf method of irregularities detecting in dielectric coatings on metal substrate
Dvorsky et al. Microwave surface conductivity measurement using an open-ended circular waveguide probe
RU2647182C1 (en) Method of measuring the position of the border of the section of the two environments in the tank
RU2702698C1 (en) Method of measuring the interface position between components of a three-component medium in a container
RU2730053C1 (en) Method of detecting and evaluating defects in multilayer dielectric coatings in microwave range
RU2750119C1 (en) Method for determining complex dielectric permeability and thickness of multilayer dielectric coatings in microwave range
Bielik et al. Determination of FR-4 dielectric constant for design of microstrip band-stop filter purposes
RU2846549C1 (en) Multilayer dielectric and magnetodielectric coatings electrophysical parameters determining method
RU2721472C1 (en) Method of determining dielectric permeability of anisotropic dielectrics
Kaz’min et al. Evaluation of permittivity and thickness gaging for anisotropic dielectric coatings by the method of surface electromagnetic waves
Low et al. Estimation of dielectric constant for various standard materials using microstrip ring resonator
RU2721156C1 (en) Method of determining electrophysical parameters of metamaterials
Havrilla et al. EM material characterization of conductor backed media using a NDE microstrip probe
RU2777835C1 (en) Method for determining electrophysical parameters of ferrite materials in the microwave range
RU2576552C1 (en) Method and device for measuring physical parameters of material
Chen et al. A new method for microwave dielectric measurement of low loss ceramics
RU2803321C1 (en) Method for detecting and evaluation of defects in dielectric and magnetodielectric coatings on a metal substrate
Guo et al. Broadband characterization of complex permittivity for low-loss dielectrics: Circular pc board disk approach