Влага и другие примеси
Поляризуемость повышается при поглощении воды или при об- разовании водяной пленки на поверхности диэлектрика, влияя таким образом на диэлектрическую проницаемость, tgd и проводимость при постоянном токе. Поэтому решающее значение имеет кондиционирование испытуемого образца и контролирование влажности перед и в процессе испытания для правильной интерпретации результатов.
На поляризуемость влияют также примеси от физического загрязнения или химических добавок, например, растворителей или пластификаторов. Следовательно, необходимо предпринять меры, чтобы на испытуемый материал не воздействовали или воздействовали в контролируемой мере операции по отбору образцов или операции последующей обработки, например, обработка при повышенных температурах,
Физическая и химическая структура
Направление поляризации электромагнитного поля относи* тельно элементов структуры испытуемого образца сильно влияет на результаты измерения. Результаты могут быть различными из-за неоднородности (как в слоистых материалах) или анизотропии, например, в кристаллах, если все измерения на образцах производятся по той же методике по отношению к некоторому характерному свойству материала.
Примечание. Материалы с некоторой периодичностью структуры, например, многослойные, могут иметь частотные характеристики, отличные от характеристик своих компонентов, если длина волны сопоставима с периодом этой структуры.
Образцы одинакового химического состава, но разной химической структуры, например, смолы, отверждаемые в разных условиях, или полимеры разной степени полимеризации, также дадут различные результаты.
Напряженность поля переменного тока
Обычно диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь не зависят от напряженности поля, пока
7
С. 8 ГОСТ 27496.1—87 (МЭК 377—1—73)
в диэлектрике не происходят частичные разряды. Однако в ферро-электрических материалах влияние поля можно все же наблюдать при относительно низких микроволновых частотах» но с повышением частоты оно быстро исчезает.
. ОБЗОР МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ
Сущность методов измерения
Введение
Характерная черта методов измерений при определении диэлектрических характеристик в диапазоне частот, охваты- ваемом настоящим стандартом, состоит в том, что электрические и магнитные компоненты поля изменяются как по амплитуде, так и по фазе от точки к точке образца и измерительного устройства, так как длина волны излучения сопоставима с размерами образца и устройства. В немагнитных материалах этот эффект становится очевидным сначала в диапазоне десятков МГц и его нельзя не замечать при частоте около 600 МГц и выше. Поэтому измерительная аппаратура (а часто и измеряемые параметры) отличаются от используемых в методиках для низких частот (Публикация МЭК 250).
Физические факторы, воздействующие на результаты измерений
Следующие явления определяются диэлектрической проницаемостью и диэлектрическими потерями:
скорость распространения электромагнитных волн, а следовательно* и их длина, в данной среде обратно пропорциональна диэлектрической проницаемости этой среды (см. п. 2.1);
при любом разрыве диэлектрической проницаемости среды, в которой распространяется волна, отражается часть энергии волны; величина энергии этого отражения зависит от отношения величин проницаемости по обе стороны границы раздела;
так как волна поляризует среду, энергия постоянно теряется по пути движения волны. Поэтому амплитуда волны затухает пропорционально коэффициенту диэлектрических потерь среды.
Явления, не связанные с диэлектрической проницаемостью: г) пучок электромагнитных волн с данной частотой f и данным поперечным сечением может распространяться с разнообразными скоростями, а следовательно, при различной длине волн. Конкретный вид распространения зависит от сечения волнового пучка и системы возбуждавшего его;
д) отражение энергии и/или изменение вида распростране- ния (в результате чего также возникают потери энергии) имеет место в любой точке, где изменяется сечение пучка. Затухание может происходить даже в абсолютном вакууме благодаря дифракционным потерям сигнала или определенной проводимости на- я
ГОСТ 27496 1—87 (МЭК 377—1—73) С. 9
правляющего устройств. Чтобы отделить полезный эффект, обусловленный свойствами материала, от эффекта из-за воздействия нежелательных возмущений поля и обеспечить повторяемость и воспроизводимость результатов, необходимо использовать в качестве измерительной аппаратуры однородную передающую систему без существенных разрывов, вызывающих отражения или потери. Должны быть хорошо известны характеристики самой системы при частоте измерения, которые не должны изменяться совсем или изменяться в предсказуемых пределах при введении испытуемого образца. Следует использовать только простейшие испытательные устройства, чтобы снизить число неопределенностей, связанных с условиями испытания, и упростить расчеты.
Испытательное оборудование
Устройство, в которое помещают испытуемый образец, может представлять:
Резонаторы
Отрезок однородного волновода коротко замкнут на обоих концах и соединяется с генератором и приемником. Максимальная передача энергии между генератором и приемником сигнала достигается, когда коротко замкнутая полость кратна половине рабочей длины волны. Подробности («Резонансный метод») будут изложены в ГОСТ 27496.1—87.
Результаты получают в величинах Q (см. п. 2.4) и изменения частоты или размеров, требуемых для восстановления резонанса после помещения образца соответственно при постоянных размерах резонатора или постоянной испытательной частоты соответственно.
Примечание Так как в этом методе используют многократное отражение пучка волн, он особенно пригоден для выявления самых низких значений тангенса угла диэлектрических потерь даже на малых количествах испытуемого материала Для получения максимальной чувствительности можно использовать неподвидные резонаторы; такие устройства можно применять только на одной частоте, которая зависит до некоторой степени от формы, размера и диэлектрических характеристик испытуемого образца
Передающие линии или мосты
Секция однородного волновода коротко замкнута на одном конце, другой конец подключается к измерителю полного входного сопротивления Результаты получают в виде полного входного сопротивления (т. е. фазового угла и коэффициента отражения) участка, заполненного испытуемым материалом. Поэтому метод получил название «измерение полного входного сопротивления», а подробности измерения будут даны в части 3 Публикаций 377 (в стадии рассмотрения).
Примечание Методы измерения полного входною сопротивления легко подходят для любой частоты в диапазоне передающей системы Однако они сводятся к определению не слишком низких значений tgd, так как используется только одно отражение от образца,
ОС. 10 ГОСТ 27496.1—87 (МЭК 377—1—73)
Методы открытого пространства
Участок равномерной передачи простирается неограниченно между генератором и приемником (оцениваются характеристики полного сопротивления на обоих концах). Когда образец помещен в линию, результаты получают в виде дифракции пучка волн или угла отражения и коэффициента затухания. Так как в этом методе используют бегущие волны, широко применяемые в оптике, его называют оптическим методом (часть 4 Публикации 377, в стадии рассмотрения).
Если установлен эталонный пучок волн, можно применить методы стоячей волны. В этом случае получают результаты в виде коэффициента передачи и фазового угла. Этот метод называют методом передающего моста (см. часть 3 Публикации 377; в стадии рассмотрения).
Примечания.'
Оптические методы целесообразны для неуправляемых пучков, если только краевые эффекты незначительны. Они требуют больших количеств испытуемого материала (с точки зрения измерения длины волны на частоте испытания). Поэтому оптические методы вообще применимы только для частот 30 ГГц и выше. С повышением частоты они становятся все предпочтительнее перед другими методами благодаря низким собственным потерям, а также тому, что измеряют не длину (которая слишком коротка в коротковолновом диапазоне), а уюл на который не влияет изменение длины волны.
Измерение при прохождении сигналов особенно рекомендуется для образцов с высокой диэлектрической проницаемостью.
Во всех трех методах, описанных в пп. 4.2.1—4.2.3, можно использовать неуправляемые пучки волн. В методе по п. 4.2.1 и методе передающего моста можно использовать и управляемые волны. Выбор вида распространения зависит от рабочей длины волны, имеющегося количества материала, требуемой точности обработки образцов и определения уровня потерь. Вообще управляемые волны можно использовать до частоты около 60 ГГц, неуправляемые— от 30 ГГц и выше.
Примечание. Вообще волноводы управляемых волн действуют в своем основном режиме, чтобы исключить неопределенность распространения. В соответствии с вышеуказанным требованием на низких частотах до 7 ГГц используют коаксиальные линии, в диапазоне от 4 до 60 ГГц — полые резонаторы прямоугольного или круглого сечения. На частотах 30 ГГц и выше целесообразно квази—оптическое распространение,
Выбор метода испытаний
Па выбор метода испытании влияют различные сообрахкения, которые могут противоречить друг другу. Ниже эти соображения рассматриваются раздельно.
Частота или длина волны
На высоких частотах иногда трудно достигнуть требуемой точ- ности каким-либо иным способом, кроме оптического (пп. 4.2.3 и 4.3.4). На низких частотах предпочтение отдают управляемым
10
ГОСТ 27496.1—87 (МЭК 377—1—73) С. 11
волнам, так как они позволяют уменьшить размеры испытатель- ной аппаратуры и испытуемых образцов.
Поверхностный эффект металлических проводников способствует затуханию волноводов с повышением частоты, что сильно затрудняет определение коэффициента диэлектрических потерь для материалов с низкими потерями.
Примечание Полые волноводы на той же рабочей частоте показывают меньшее затухание, чем коаксиальные При круглых полых волноводах режим Hoi отличается тем, что затухание ослабляется с повышением частоты.
В соответствии с этими соображениями методы, использующие управляемые волны, предпочтительны на частотах до 60 ГГц, тогда как неуправляемые пучки можно использовать на частотах около 30 ГГц и выше.
Форма и количество испытуемого материала
Образцы для испытаний должны соответствовать требованиям, которые предъявляют испытательные устройства. Поэтому необходима точная механическая обработка (см. соответствующие методы измерения). Так как материал для испытаний может иметься только в виде плит, листов (пленки), стержней (проволоки) или трубок, метод испытания может быть избран с учетом формы и количества наличного материала. Важным условием измерения диэлектрических характеристик является использование образцов, изготовленных из одного блока или рулона.
Для резонансных методов образцы могут заполнять все сечение пучка волн (см. п. б). Благодаря высокой чувствительности, присущей этим методам, их можно использовать на образцах в виде шара, стержня или круга в определенных режимах. Однако чувствительность к слабым изменениям характеристик и точность результатов во многом зависят от используемого режима, отношения объемов резонатора и образца, включая точность определения этого отношения.
Методы измерения полного сопротивления требуют, чтобы образцы полностью перекрывали сечение пучка. Все поверхности, перпендикулярные силовым линиям электрического ПОЛЯ (1 е внутреннему и внешнему проводникам соосных волноводов, широкой стороне прямоугольных полых волноводов), должны быть плотно пригнаны
Примечание Проблема подгонки сильно упрощается использованием круглых ВОЛНОВОЛОБ в режиме Но?
При одинаковой длине образцов (в целях одинаковой чувствительности измерения) испытательные устройства с волноводами, работающими в своем основном режиме, требуют меньше материала для испытаний, чем устройства с неуправляемыми волнами Соосные волноводы требуют еще меньше материала, чем
1
1С 12 ГОСТ 27496 1—87 (МЭК 377-1- 73)
полые при той же рабочей частоте. При использовании волноводов важно, чтобы образцы точно соответствовали размерам волноводов,
г) Оптические методы требуют, чтобы сечение образцов было больше сечения пучка волн. Толщина образца должна быть не менее половины длины распространяющейся волны.
4.3.3, Диэлектрические характеристики испытуемого материала
Диэлектрическая проницаемость
Изоляционные материалы с относительной диэлектрической проницаемостью до 100 можно испытывать любым из перечисленных методов. Однако следует иметь в виду, что из-за присутствия диэлектрика волны более высокого порядка, вызванные каким-либо дефектом, могут распространиться в образце, что приведет к ошибочным показаниям. При относительной диэлектрической проницаемости выше 100 предпочтение может быть отдано волноводным методам, так как они обеспечивают высокую точность.
Для анизотропных материалов полученные результаты зависят от положения осей симметрии образцов относительно оси поляризации пучка волн. Поэтому форма образца должна соответствовать условиям испытания с учетом используемого режима.
