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 PDFInfo
- 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
Links
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 70
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 21
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 230000035699 permeability Effects 0.000 title abstract description 7
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 53
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims abstract description 15
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 15
- 239000007787 solid Substances 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 46
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 9
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 7
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 4
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 4
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 description 3
- 238000009774 resonance method Methods 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000005520 electrodynamics Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 1
- 239000002966 varnish Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N22/00—Investigating 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
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 и производят измерение их коэффициентов затухания 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 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 and measure their attenuation 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 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
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 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
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
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
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
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
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, , 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+1=ε0, 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 , 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]:
где и - эквивалентные характеристические сопротивления «вверх» и «вниз» относительно произвольно выбранного опорного сечения у0.Where and - 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:
где γ - постоянная распространения поверхностной волны; k0 - волновое число свободного пространства, λ - длина волны генератора;where γ is the propagation constant of the surface wave; k 0 is the wavenumber of free space, 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:
где kn - волновое число n-слоя покрытия, 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, 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 [
-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:
где ω=2πƒ - круговая частота, с - скорость света в свободном пространстве; λ - длина волны генератора, ε0 - электрическая постоянная; - мнимая единица; Z0 - характеристическое свободного пространства;where ω = 2πƒ is the circular frequency, c is the speed of light in free space; λ is the generator wavelength, ε 0 is the electric constant; - 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:
где qn - коэффициент фазы поверхностной волны, определяемое по выражению (3); ε0 - электрическая постоянная; ω=2πƒ - круговая частота, 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, 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» относительно опорного сечения у0 представляет собой эквивалентное характеристическое сопротивление слоев с . 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" relative to the reference section y 0 is the equivalent characteristic resistance of the layers with . It can be obtained by successively applying the formula of wave resistance transformation by the method of the theory of circuits [
где - 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 - 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» путем трансформации сопротивлений слоев многослойного покрытия приведена на фиг 3.The design scheme for finding the characteristic resistance "up" 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:
Таким образом, эквивалентное характеристическое сопротивление «вверх» относительно опорного сечения у0 равно характеристическому сопротивлению полученному в результате последовательной трансформации сопротивлений слоев с номерами Thus, the equivalent characteristic resistance "up" with respect to the reference section y 0 is equal to the characteristic resistance resulting from the sequential transformation of the resistance of the layers with the numbers
Характеристическое сопротивления «вниз» относительно опорного сечения у0 принимается равным нулю так как ниже его слоев покрытия нет.Characteristic resistance "down" relative to the reference section at 0 is assumed to be zero 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:
где - эквивалентное характеристическое сопротивление слоев покрытия определяемое по рекурсивной формуле (9).Where - equivalent characteristic resistance of coating layers 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 .Using the
С помощью приемной антенны 2 и блока измерения коэффициентов затухания 1 для каждой из 2N поверхностных волн Е-типа производят измерение значений коэффициентов затухания , соответственно.Using the receiving
Измеренные коэффициенты затухания поступают в блок определения относительных диэлектрических проницаемостей и толщин 7.Measured attenuation factors enter the unit for determining the relative dielectric constant and
Для каждой из 2N поверхностных волн Е-типа с длинами волн и коэффициентами затухания соответственно, составляют дисперсионное уравнение вида (11). Получают 2N - дисперсионных уравнений.For each of the 2N E-type surface waves with wavelengths and attenuation coefficients 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 :
где - дисперсионные уравнения многослойного покрытия с числом слоев N для каждой длины волны поверхностной волны Е-типа соответственно,Where - dispersion equations of a multilayer coating with the number of layers N for each wavelength of an E-type surface wave 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.
Измерения относительных диэлектрических проницаемостей и толщин образцов покрытий осуществлялось в лабораторных условиях при комнатной температуре. Рабочие длины волн генератора следующие: 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:
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.
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
Claims (1)
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)
| 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)
| 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 |
-
2018
- 2018-08-10 RU RU2018129400A patent/RU2694110C1/en active
Patent Citations (7)
| 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)
| 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 |