Xác định hằng số điện môi phức tạp của vật liệu trong ống dẫn sóng sử dụng phương pháp điện từ lai ghép 06617133

File: 06617133 – Trang 56, 57
978-1-4799-1434-0/13/$31.00 ©2013 IEEE
Xác định hằng số điện môi phức tạp của vật liệu
trong ống dẫn sóng sử dụng phương pháp điện
từ lai ghép.
TÁC GIẢ:
Teppei Kobata, Mohamad shaiful Bin Abdul Karim, Kataro Momoeda, và Toshihide Kitazawa.
Đại học Ritsumeikan, Kusatsu, 525-8577, Japan

Tóm tắt – Một phương pháp đo lường thích hợp được đề xuất cho các tần số phụ thuộc
( frequency-dependecy) của hằng số điện môi phức tạp của vật liệu với tổn hao thấp hoặc cao
dựa trên phướng pháp điện từ lai ghép nghiêm ngặt. Cả hai phương pháp truyền và phả xạ đo đạc
được phát triên bằng cách sử dụng ống dẫn sóng X-band. Tính hợp lệ của phương pháp này được
xác nhận bởi các thí nghiệm giả lập và các phép đo thực tế.
I – Mở đầu.
Vật liệu mới được phát triển trong vùng vi sóng có một loạt các tính chất điện (hằng số điện
môi phức tạp khác nhau), và nó là cần thiết để thiết lập một phương pháp đo lường đa năng mô
tả cho một loạt các vật liệu với hằng số điện môi phức tạp như một hàm của tần số. Kỹ thuật phụ
thuộc nhiều nhiều vào tần số đã được báo cáo để đánh giá hằng số điện môi phức tạp của vật liệu
sử dụng ống dẫn sóng hoặc cáp đồng trục [1] [4]. Đối với kỹ thuật đo lường ống sóng hình chữ
nhật dựa trên lý thuyết EM (Electromagnetism – Điện từ) đơn giản, mẫu đã được lập nhằm để có
mặt cắt ngang hình chữ nhật để chỉ cần điền vào toàn bộ mặt cắt ngang như trong hướng dẫn
nhằm loại bỏ ảnh hưởng của khoảng cách không khí hoặc biến dạng của mẫu, sẽ làm suy giảm
tính chính xác của đo lường. Tuy nhiên khi các mẫu tổn hao được đặt trong mặt cắt ngang như
trong hướng dẫn, tín hiệu sẽ truyền sẽ trở nên quá nhỏ. Vấn đề này có thể được giải quyết bằng
cách sử dụng các khe hở không khí giữ dây dẫn và mẫu chủ đích. Ví dụ, mẫu kích thước hẹp hơn
mà trong đó chỉ chiếm một phần cắt ngang của ống dẫn sóng, được chuẩn bị cho đo lường vật
liệu tổn hao nhằm đạt được độ chính xác đầy đủ của các thông số tán xạ S
21
. Phương pháp phân
tích điện từ chính xác và hiệu quả là không thể thiếu để cho ra quá trình đánh giá này của vật

liệu. Các tác giả đã phát triển một phương pháp EM lai để phân tích các vấn đề phân tán trong
ống dẫn sóng [5]. Phương pháp được sử dụng trong bài viết này để đánh giá hằng số điện môi
phức tạp ԑ
r
cho trước với tổn hao cao hay thấp được đặt trong (Hình 1 (a)) và ống dẫn sóng cắt
ngắn hình chữ nhật (Hinh 1 (b)).
II – Phân tích trường điện từ.
Các phương pháp đo lường được đề xuất dựa trên phương pháp điện từ lai được phát triển bới
các tác giả kết hợp các phương pháp tiếp cận phổ miền mở rộng với phương pháp phù hợp với
chế độ [5]. Các trường được khai triển trong các điều kiện thích hợp của đặc trưng các hàm trong
phương pháp lai. Đặc trưng hàm trong khu vực ống dẫn sóng không đồng nhất có chứa chất điện
môi cao hoặc hằng số điện môi thấp với tổn hao cao hoặc thấp có thể được xây dựng bằng cách
sử dụng phương pháp chế độ phù hợp. Trường tập trung nhiều hơn trong vật liệu điện môi với
hằng số điện môi cao hơn, và hàm riêng trở nên khác nhau từ những các hàm hình sin đơn giản
(Hình 2). Hàm riêng này không thỏa mãn đường tực giao đơn giản, nhưng thỏa mãn các quan hệ
song trực giao. Trường trong khu vực không đồng nhất sau đó có thể được chuyển đổi thành
miền phổ sử dụng quan hệ song trực giao này, và cách tiếp cận miền phổ (SDA) thường được sử
dụng trong phân tích EM có thể được áp dụng. Bằng cách áp dụng các điều kiện liên tục của các
trường trong ống dẫn sóng đồng nhất – tràn đầy và của các đầu vào và đầu ra ống dẫn sóng,
chúng tôi được các thông số tán xạ S
11
và S
21
tại mặt phân giới đầu vào đầu ra tương ứng. Tần số
phụ thuộc ( frequency-dependecy) của hằng số điện môi phức tạp ԑ
r
được đánh giá phù hợp với
các S-thông số mô phỏng bằng cách phân tích EM cho S-thông số của một mẫu. Các phương
pháp truyền dẫn và phương pháp phản xạ cho việc đánh giá vật liệu có sẵn bằng cách sử dụng
thông qua ống dẫn sóng (Hinh 1 (a)) và ống dẫn sóng ngắn (Hình 1 (b)) tương ứng.

Hình 1: Mẫu vật liệu trong ống dẫn sóng hình chữ nhật. (a) xuyên qua ống dẫn song. (b) ông
dẫn sóng ngắn.
Hình 2: Đặc trưng trong: (a) ống dẫn sóng rỗng, (b) ống dẫn sóng có chưa hằng số điện môi
thấp(ԑ
r
= 4), và (c) ống dẫn sóng có chứa hằng số điện môi cao (ԑ
r
= 20) chất điện môi.

III – Phép đo.
Các thí nghiệm ảo đã được thực hiện để xác nhận tính hợp lệ của quy trình đánh giá bằng cách
sử dụng mẫu giả định với hằng số điện môi phức tạp khác nhau, hằng số điện môi thấp hoặc cao
với tổn hao thấp hoặc cao. Các đánh giá chính xác thu được cho tất cả các trường hợp. Sau đó
các phép đo thực tế được thực hiện bằng cách sử dụng ống dẫn sóng X – band có chứa một mẫu
cao su silicone có hoặc không có chứa carbon. Trong phép đo, các mẫu lớn hơn là chuẩn bị cho
mẫu cao su silicone không có carbon (tổn hao vật liệu thấp) và các mẫu nhỏ hơn cho cao su
silocone cao cấp với carbon (tổn hao vật liệu cao). Đo hằng số điện môi phức tạp bằng phương
pháp phản xạ (Hinh 1 (b)) là trong thỏa thuận với theo những phương pháp truyền dẫn (Hinh 1
(a)).
IV – Kết luân.
Chúng tôi đã đề xuất một phương pháp đo lường thích nghi cho sự phụ thuộc tần số
( frequency-dependecy) của hằng số điện môi phức tạp của vật liệu với tổn hao thấp hoặc cao
dựa trên phương pháp điện từ lai ghép nghiêm ngặt. kích thước mẫu được lựa chọn đúng tùy
thuộc vào đặc tính vật chất. Thời hạn hiệu lực của phương pháp này được xác nhận bởi các thi
nghiệm giả lập và các phép đo thực tế.
Tài liệu tham khảo.
[1] J. M. Catala-Civera, A. J. Canos, F. L. Penaranda-Foix, and E. R. Davo,
“Accurate determination of the complex permittivity of materials with
transmission reflection measurements in partially filled rectangular
waveguides,” - “ xác định chính xác hằng số điện môi phức tạp của vật liệu với các phép đo

phản xạ truyền dẫn trong một phần đay ống dẫn song hình chữ nhật,” IEEE Trans. Microwave
Theory Tech., vol. 51, no. 1,
pp. 16–24, Jan. 2003.
[2] A. Nishikata, “A swept-frequency measurement of complex permittivity
and complex permeability of a columnar specimen inserted in a rectangular
waveguide,” – “ một phép đo quét tần số của hằng số điện môi phức tạp và độ thẩm thấu phức
tạp của một mẫu hình trụ chèn cào trong một ống dẫn song hình chữ nhật,” IEEE Trans.
Microwave Theory Tech., vol. 55, no. 7,
pp. 1554–1567, July 2007.
[3] S. Yoshikado and I. Taniguchi, “Microwave complex conductivity of a
square post in rectangular waveguide,” IEEE Trans. Microwave Theory
Tech., vol. 37, no. 6, pp. 984–992, June 1989.
[4] A. M. Nicolson and G. F. Ross, “Measurement of the intrinsic properties
of materials by time domain techniques,” IEEE Trans. Instrum. Meas.,
vol. IM-19, pp. 377–382, Nov. 1970.
[5] H. Miyagawa, T. Sawai, K. Wakino, Y. D. Lin, and T. Kitazawa,
“Simultaneous determination of complex permittivity and permeability
of columnar materials with arbitrarily shaped cross-section,” – “ xác định đồng thời hằng số điện
môi phức tạp và độ thẩm thấu của vật liệu hình trụ với mặt cắt ngang tùy ý,” IEEE Trans.
Microwave Theory Tech., vol. 57, no. 9, pp. 2249–2256, Aug. 2009.
Phụ lục.
permittivity (danh từ): hằng số điện môi – kí hiệu: ԑ
Từ đồng nghĩa: dielectric constant
Hằng số điện môi chân không: ԑ
0
= 8,8541878176 × 10
-12
F / m
Hằng số điện môi của môi trường: ԑ
r

ԑ = ԑ
r
. ԑ
0
Hằng số điện môi không phải là một hằng số, vì nó có thể thay đổi theo vị trí trong môi trường,
tần số của lĩnh vực áp dụng, độ ẩm, nhiệt độ và các thông số khác. Trong một môi trường phi
tuyến , permittivity có thể phụ thuộc vào sức mạnh của điện trường. Hằng số điện môi như một
hàm của tần số có thể mất trên các giá trị thực hay phức tạp.