---

    

     e) персонал, проводящий измерения, должен быть знаком с характером измерений и должен знать, каких результатов следует ожидать на каждом этапе выполнения процедуры;

    

     f) после градуировки должны быть проведены измерения на образцовой жидкости, чтобы убедиться в правильности работы системы до проведения измерений на образце. Информация о нескольких рекомендуемых образцовых жидкостях приведена в разделе J.6;

    

     g) методы обработки данных, относящихся к измерению комплексного коэффициента отражения и комплексной диэлектрической проницаемости, должны быть точными и соответствовать геометрии используемого держателя образца.

    

     J.3 Измерительная линия

    

     В качестве держателя образца может быть использована замкнутая коаксиальная измерительная линия с движущимся зондом [4]. Анализатор сети посылает радиочастотный сигнал на вход измерительной линии и обеспечивает определение амплитуды и фазы поступающего на образец сигнала как функции положения на линии посредством движущегося зонда.

    

     Процедура испытания должна предусматривать градуировку и параметры настройки анализатора сети для требуемой полосы частот, положение в начале измерений, шаг движения вдоль измерительной линии и общее число следующих одна за другой точек измерения. Прикладное программное обеспечение интерпретирует данные измерений с целью определения диэлектрических свойств образца. Пример применения этой процедуры приведен в следующих разделах.

    

     J.3.1 Конфигурация оборудования

    

     Испытательное оборудование включает в себя коаксиальную измерительную линию передачи с зондом, подсоединенным к анализатору цепей, как показано на рисунке J.1. Амплитудная логарифмическая характеристика и фаза  должны отображаться одновременно. Мощность источника выставляют на уровень, при котором обеспечивается хорошее соотношение сигнал - шум. Для проверки системы периодически (ежегодно и во всех случаях изменения измерительной шкалы линии) проводятся измерения на образцовой жидкости. Поскольку измеряемыми величинами являются изменения амплитуды и фазы с изменением расстояния, точность измерительной шкалы является критически существенной.

    

    

     Примечание - Рекомендуется также использовать средства контроля температуры образца, не показанные на данной схеме.

       

Рисунок J.1 - Конфигурация измерительной линии

    

    

     Анализатор цепей посылает сигнал на конец коаксиальной измерительной линии. Зонд, погруженный через слот линии в тканеэквивалентную жидкость, определяет амплитуду и фазу в точках измерения по всей длине линии. Перед подключением держателя образца проводят полную градуировку анализатора цепей в режиме "на проход". При этом должны соблюдаться следующие правила:

    

     a) измерительную линию заполняют водой осторожно так, чтобы избежать образования воздушных пузырьков. При выполнении этой операции измерительная линия должна находиться в горизонтальном положении;

    

     b) зонд вставляют образца в разъем*, ближайший к входному разъему измерительной линии так, чтобы тканеэквивалентная жидкость находилась на одном уровне с внутренней поверхностью линии, и выравнивают по четко определенной риске на шкале длины измерительной линии;

________________

     * Текст соответствует оригиналу. - Примечание изготовителя базы данных.

    

     c) зонд вставляют перпендикулярно к продольной оси измерительной линии, пока не будет достигнуто стабильное и однозначное считывание амплитуды. Не следует вставлять зонд слишком глубоко в разъем коаксиальной измерительной линии, так как это может вызвать чрезмерное искажение характеристики распространения поля.

    

     J.3.2 Процедура измерения

    

     a) Настраивают и градуируют анализатор цепей.

    

     b) Определяют на измерительной линии 10-20 точек измерения частотной амплитудной логарифмической характеристики и фазы, соответствующих изменению амплитуды приблизительно на 30 дБ.

    

     c) Строят график изменения частотной амплитудной логарифмической характеристики  соответственно изменению расстояния.

    

     d) Определяют, насколько близко точки графика следуют аппроксимации отрезками прямой, приняв за основу коэффициент корреляции или аналогичную статистическую величину. Имеющиеся данные должны обеспечивать хорошую линейную аппроксимацию кривой (ожидаемый коэффициент корреляции для материалов с высоким уровнем диэлектрических потерь 0,99). В противном случае повторно измеряют параметры жидкости, предварительно увеличив число точек так, чтобы перепад амплитуды увеличился с 30 до 40 дБ.

    

     Примечание - При работе с материалами с низким уровнем диэлектрических потерь длина измерительной линии должна быть достаточной для того, чтобы не допустить отражений с подключенного к нагрузке конца.

    

    

     e) Рассчитывают проводимость и относительную диэлектрическую проницаемость тканеэквивалентной жидкости с помощью уравнений, взятых из [56] и [65]:

    

, Нп/см,

    

, рад/см,

    

,

    

, См/м,

    

где  и  - тангенсы угла наклона подобранных по методу наименьших квадратов прямых частотной амплитудной логарифмической характеристики и фазовой характеристики соответственно;

    

       и  - средние коэффициенты затухания и распространения для линии.

    

     J.4 Контактный зонд

    

     Контактные зонды - это открытые на концах секции коаксиальной линии передачи, обычно с отгибом на конце, служащим элементом для отражения краевых полей. Измерения проводят путем приведения зонда в соприкосновение с образцом и определения полной проводимости или коэффициента отражения в режиме холостого хода с использованием анализатора цепей или эквивалентного оборудования [3], [16], [54]. Коаксиальные зонды могут также применяться для испытания твердых диэлектриков, например, выборочных проб материалов, используемых для изготовления держателей испытуемых устройств и манекенов. Для того чтобы минимизировать неопределенность измерений, вводимую использованием контактных зондов, твердые поверхности должны быть тщательно отполированы [1].

    

     Процедура испытания должна включать в себя градуировку и настройку анализатора цепей для заданной полосы частот. Прикладное программное обеспечение должно обеспечивать интерпретацию данных измерений для вычисления диэлектрических свойств образца как функции частоты. Для применения этого метода требуется разработка или получение из коммерческого источника зонда и пакета программного обеспечения для анализатора цепей. При описании метода должны быть указаны размер зонда и рабочая полоса частот. Пример процедуры приводят в последующих разделах.

    

     J.4.1 Конфигурация оборудования

    

     В состав оборудования входит зонд, подключенный к одному из разъемов векторного анализатора цепей. Зонд представляет собой коаксиальную линию с открытым концом, как показано на рисунке J.2. Используется цилиндрическая система координат , , , где  - расстояние по радиусу до оси,  - угловое смещение вокруг оси,  - смещение вдоль оси,  - радиус внутреннего проводника, а  - внутренний радиус внешнего проводника.

    

     Держатель образца представляет собой неметаллический контейнер, размер которого должен быть большим по сравнению с размером погруженного в него зонда. Зонд с внешним диаметром , составляющим от 2 до 4 мм, подходит для измерения параметров тканеэквивалентных жидкостей в полосе частот от 300 до 3 ГГц. Такой размер зонда соответствует объемам образца 50 см и более. Для работы с большими объемами могут применяться более крупные зонды с внешним диаметром  не более 7 мм. Обычно зонд имеет фланцевый отгиб на конце, чтобы в большей степени соответствовать допущению о бесконечном отражающем элементе, на основании которого рассчитывается полная проводимость.

 - радиус внутреннего проводника;  - смещение вдоль оси;  - внутренний радиус  внешнего проводника;  - расстояние по радиусу до оси;  - угловое смещение вокруг оси; , ,  - прямоугольные декартовы координаты

Рисунок J.2 - Коаксиальный зонд с открытым концом с внутренним и внешним радиусами  и  соответственно

    

    

     Точность измерений в режиме короткого замыкания должна проверяться после каждой градуировки на нескольких частотах. Короткого замыкания можно добиться, аккуратно приложив к открытому концу зонда небольшой кусочек алюминиевой фольги. Для того чтобы контакт был хорошим, конец зонда должен быть плоским и не окисленным [2]. Крупные датчики обычно лучше реагируют на замыкание фольгой. Хорошего контакта можно добиться, воспользовавшись некоторыми коммерческими зондами диаметром 4,6 мм, поставляемыми в комплекте с дисковыми металлическими элементами для короткого замыкания. Для повышения стабильности может потребоваться прижать диск рукой.

    

     Значительная неопределенность измерений в результате "фланцевых резонансов" может иметь место, если диаметр фланца приблизительно равен половине длины волны в диэлектрической среде [6]. Эти эффекты особенно выражены в жидкостях с высокой диэлектрической проницаемостью, имеющих тангенс угла диэлектрических потерь менее 0,25 (для частот, используемых мобильными телефонами, это вода, метиловый спирт и диметилсульфоксид). Исходя из этого, настоятельно рекомендуется проводить градуировку крупных датчиков, используя жидкости с большим тангенсом угла потерь, например этиловый спирт. На некоторых частотах могут возникать проблемы с использованием воды для калибровки 7-миллиметровых фланцевых коаксиальных датчиков. Тканеэквивалентные жидкости имеют тангенс угла диэлектрических потерь около 0,5, что является довольно высоким значением, позволяющим гарантировать практическое отсутствие эффектов резонанса, независимо от размера используемого датчика.

    

     Анализатор цепей настраивается для измерения амплитуды и фазы полной проводимости, после чего проводится двухполюсная градуировка параметров отражения в плоскости зонда. Для этого жидкости, для которых может быть рассчитан коэффициент отражения, приводят в соприкосновение с зондом. Такую градуировку проводят в трех режимах: в условиях короткого замыкания, в воздухе и в деионизированной воде при четко определенной температуре (для градуировки могут быть использованы и другие образцовые жидкости, например метиловый или этиловый спирты). Градуировка - важная часть процедуры измерения, поэтому важно, чтобы она была выполнена правильно. Правильность градуировки можно проверить путем повторного измерения в режиме короткого замыкания, которое должно показать, что коэффициент отражения -1,0 (единиц линейных измерений) получен обоснованно.

    

     J.4.2 Процедура измерения

    

     a) Настраивают и градуируют анализатор цепей и систему зондирования.

    

     b) Наливают образец в неметаллический контейнер и погружают в него зонд. Для фиксации зонда рекомендуется использовать держатель или зажим; зонд должен быть установлен так, чтобы его лицевая сторона была под углом к поверхности жидкости - это позволит свести к минимуму образование воздушных пузырьков под фланцем.

    

     c) Измеряют комплексную полную проводимость применительно к апертуре зонда.

    

     d) Рассчитывают комплексную относительную проницаемость , например, с помощью следующего уравнения [54]:

    

.

    

     Значение может быть вычислено численным методом или разложено в ряд и упрощено в соответствии с [16], [40], [41], [42]. Уравнение решается сначала для опорного волнового числа , а затем для опорного значения комплексной проницаемости; при этом используется метод Ньютона-Рафсона или другие итеративные аппроксимации. Можно воспользоваться и другими численными методами, например, описанными в [43], [45], при условии, что прикладное программное обеспечение тщательно испытано и проверено измерением параметров образцовых жидкостей. Коммерческие коаксиальные зонды с открытым концом обычно рассчитаны на использование различных вариантов данного теоретического и методологического подхода.

    

     J.5 Линия передачи типа ТЕМ

    

     Данный метод основан на измерении комплексного коэффициента передачи наполненной испытательной жидкостью коаксиальной линии передачи типа ТЕМ [60]. Коэффициент передачи измеряют с помощью анализатора цепей, чтобы определить амплитуду и фазу коэффициента рассеивания , на основе которого рассчитывают комплексную диэлектрическкую проницаемость. Описание процедуры испытания должно включать в себя настройки и параметры градуировки анализатора цепей для рабочей полосы частот. Прикладное программное обеспечение должно интерпретировать данные измерений, позволяя определять диэлектрические свойства образца как функцию частоты.

    

     J.5.1 Конфигурация оборудования

    

     Конфигурация измерительной установки показана на рисунке J.3. Держатель образца представляет собой полосковую линию передачи с открытой стенкой, состоящую из цилиндрического центрального проводника, двух плоских вертикальных (боковых) заземлителей, одной оптически прозрачной пластмассовой донной стенки, открытой верхней части и датчика температуры. Длину  выбирают для данной полосы частот так, чтобы эффект многократных отражений внутри датчика был незначительным, а общее затухание - не выходило за рамки динамического диапазона анализатора сети. Так, например, два датчика разной длины позволяют охватить всю полосу частот от 800 до 2000 МГц. Образцовую жидкость аккуратно наливают в держатель или вводят в него шприцем и проверяют на наличие воздушных пузырьков через прозрачные стенки.