zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2020-86-12-40-45zldm-1334Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВSTRUCTURE AND PROPERTIES INVESTIGATIONОпределение тангенса угла диэлектрических потерь твердых диэлектриков на высоких частотахDetermination of the loss tangent for solid dielectrics at high frequenciesИваницкийА. С.IvanitskyA. S.

Александр Сергеевич Иваницкий

249031, Калужская обл., г. Обнинск, Киевское ш., д. 15

Aleksandr S. Ivanitsky

15, Kievskoe sh., Obninsk, Kaluzhskaya obl., 249031

КордоА. А.KordoA. A.

Андрей Анатольевич Кордо

249031, Калужская обл., г. Обнинск, Киевское ш., д. 15

Andrey A. Kordo

15, Kievskoe sh., Obninsk, Kaluzhskaya obl., 249031

kordoaa@technologiya.ruБойкоЛ. И.BoykoL. I.

Людмила Ивановна Бойко

249031, Калужская обл., г. Обнинск, Киевское ш., д. 15

Lyudmila I. Boyko

15, Kievskoe sh., Obninsk, Kaluzhskaya obl., 249031

ОНПП «Технология» имени А. Г. РомашинаРоссияA. G. Romashin ORPE «Technologiya»Russian Federation20201712202086124045Copyright © Иваницкий А.С., Кордо А.А., Бойко Л.И., 20202020Иваницкий А.С., Кордо А.А., Бойко Л.И.Ivanitsky A.S., Kordo A.A., Boyko L.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1334

Несмотря на развитие техники диэлектрических измерений при испытаниях твердых диэлектриков на частотах от единиц до сотен мегагерц по-прежнему применяют ячейки с микрометрическим винтом. В данной работе представлены результаты определения тангенса угла диэлектрических потерь (tgδ) с учетом влияния индуктивности (Ln) и активного сопротивления (rn) такой ячейки. При резонансных измерениях принимали во внимание конечную величину добротности (Qk) контурной катушки индуктивности. Испытания с образцом диэлектрика и без него проводили при условии сохранения емкости ячейки. Показано, что влияние Ln заключается в завышении значений измеренного tgδ. Для исключения этого предложено дополнить существующие расчетные формулы множителем, зависящим от Ln, частоты и емкости образца. Кроме того, выявлено, что погрешность по tgδ существенно возрастает с уменьшением отношения характеристик диэлектрических потерь измерительной цепи, которое способны вызвать rn и Qk. Для достижения необходимой точности определений приведены требования, которым должны удовлетворять rn и затухание контура без образца. На их основе разработаны условия, позволяющие оценить пригодность того или иного оборудования для измерения tgδ. Полученные результаты, подтвержденные экспериментально при резонансных испытаниях с применением куметра, могут быть использованы при высокочастотных измерениях tgδ с требуемой точностью.

Cells with a micrometer screw are still used for testing solid dielectrics at frequencies from units to hundreds of megahertz despite the development of dielectric measurement technology. We present the results regarding elimination of the negative impact of successive stray inductances (Ln) and active resistance (rn) of such a cell on the accuracy of the dielectric loss tangent (tanδ) determination with allowance for the final value of the Q-factor (Qk) of the circuit inductor in resonant measurements. Tests with and without a dielectric sample were carried out under the condition of maintaining the cell capacity value. No information is available in the regulatory documents and technical literature about taking the aforementioned parameters into consideration. It is shown that the impact of Ln consists in the overestimation of measured tanδ values. To eliminate this effect, we proposed to introduce an additional factor which depends on Ln, frequency and capacity of the sample into existing formulas used for tanδ calculation. It is also shown that the tanδ error increases significantly with a decrease in the ratio of the dielectric loss characteristics of the measuring circuit with and without a sample which can be attributed to rn and Qk. The requirements for rn and circuit damping without a sample are formulated to ensure the desired accuracy. Conditions providing the possibility of assessing the suitability of a particular equipment for tanδ measurements are specified on basis of the developed requirements. The results experimentally proved in resonance measurements with a Q-meter can be used in high-frequency tanδ measurements to provide the required accuracy.

тангенс угла диэлектрических потерьячейка с микрометрическим винтомпаразитный параметрloss tangentmicrometer-electrode cellparasitic parameterReferencesGrove T. T., Masters M. F., Miers R. E. Determining dielectric constants using a parallel plate capacitor / Am. J. Phys. 2005. Vol. 73. Issue 1. P. 52 – 56. DOI: 10.1119/1.1794757.Grove T. T., Masters M. F., Miers R. E. Determining dielectric constants using a parallel plate capacitor / Am. J. Phys. 2005. Vol. 73. Issue 1. P. 52 – 56. DOI: 10.1119/1.1794757.Baker-Jarvis J., Janezic M., DeGroot D. High-frequency dielectric measurements / IEEE Instr. Mag. 2010. Vol. 13. Issue 2. P. 24 – 31. DOI: 10.1109/MIM.2010.5438334.Baker-Jarvis J., Janezic M., DeGroot D. High-frequency dielectric measurements / IEEE Instr. Mag. 2010. Vol. 13. Issue 2. P. 24 – 31. DOI: 10.1109/MIM.2010.5438334.Tereschenko O. V., Buesink F. J. K., Leferink F. B. J. An overwiew of the techniques the dielectric properties of materials / XXX UPSI. General Assambly and Scientific Symposium. — IEEE, 2011. P. 1 – 4. DOI: 10.1109/URSIGASS.2011.6050287.Tereschenko O. V., Buesink F. J. K., Leferink F. B. J. An overwiew of the techniques the dielectric properties of materials / XXX UPSI. General Assambly and Scientific Symposium. — IEEE, 2011. P. 1 – 4. DOI: 10.1109/URSIGASS.2011.6050287.Radivojević V., Rupčić S., Srnović M., Benšić G. Measuring the dielectric constant of paper using a parallel plate capacitor / Int. J. Electr. Comp. Eng. Syst. 2018. Vol. 9. N 1. P. 1 – 10. DOI: 10.32985/ijeces.9.1.1.Radivojević V., Rupčić S., Srnović M., Benšić G. Measuring the dielectric constant of paper using a parallel plate capacitor / Int. J. Electr. Comp. Eng. Syst. 2018. Vol. 9. N 1. P. 1 – 10. DOI: 10.32985/ijeces.9.1.1.Keysight Technologies. Measuring dielectric properties using keysight’s measurement solutions. Literature number 5991- 2171 EN, 2018. http://www.keysight.com (access 27.02.2020).Keysight Technologies. Measuring dielectric properties using keysight’s measurement solutions. Literature number 5991- 2171 EN, 2018. http://www.keysight.com (access 27.02.2020).Митрохин В. Е., Агарков Н. Е. Определение диэлектрической проницаемости среды передачи в широком диапазоне частот / В кн.: Иновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте. — Омск: Омский государственный университет путей сообщения, 2018. С. 211 – 217.Mitrokhin V. E., Agarkov N. E. Determination of guide Parameters in a wide range of frequencies / Innovative projects and technologies in education, industry and transport. — Omsk: Omsk. gos. univ. put. soobshch., 2018. P. 211 – 217 [in Russian].Митрохин В. Е., Агарков Н. Е. К вопросу о возможности измерения конденсаторным методом диэлектрической проницаемости печатных плат и кабелей телекоммуникаций железнодорожного транспорта на высоких частотах / Известия Транссиба. 2019. ¹ 2(38). C. 136 – 146.Mitrokhin V. E., Agarkov N. E. To the question of the possibility of measuring by a capasitor method of permittivity of print boards and cables of telecommunications at high frequencies / Izv. Transsiba. 2019. N 2(38). P. 136 – 146 [in Russian].Keysight Technologies. Accessories catalog for impedance measurements. Literature number 5965-4792E, 2017. http://www.keysight.com (access 28.02.2020).Keysight Technologies. Accessories catalog for impedance measurements. Literature number 5965-4792E, 2017. http://www.keysight.com (access 28.02.2020).Kakimoto A., Ogawa I., Matsushita T. Improvements on the measurements of dielectric constant and dissipation factor in a wide frequency range / Review of Scientific Instrument. 1977. Vol. 48. Issue 12. P. 1570 – 1575. DOI: 10.1063/1.1134946.Kakimoto A., Ogawa I., Matsushita T. Improvements on the measurements of dielectric constant and dissipation factor in a wide frequency range / Review of Scientific Instrument. 1977. Vol. 48. Issue 12. P. 1570 – 1575. DOI: 10.1063/1.1134946.Kakimoto A., Etoh A., Hirano K., Nonaka S. Precise measurement of dielectric properties at frequencies from 1 kHz to 100 MHz / Rev. Sci. Instr. 1987. Vol. 58. Issue 2. P. 269 – 275. DOI: 10.1063/1.1139320.Kakimoto A., Etoh A., Hirano K., Nonaka S. Precise measurement of dielectric properties at frequencies from 1 kHz to 100 MHz / Rev. Sci. Instr. 1987. Vol. 58. Issue 2. P. 269 – 275. DOI: 10.1063/1.1139320.Подгорный Ю. В., Сергеева Е. И., Шахматов А. А. Ячейки для исследования параметров диэлектриков на ВЧ при воздействии различных внешних факторов / Межотраслевая науч.-техн. конф. «Методы, приборы и оборудование для типовых и специальных испытаний радиотехнических материалов»: сб. материалов. — М.: ВИМИ, 1979. C. 34 – 51.Podgornyi Yu. V., Sergeyeva E. I., Shakhmatov A. A. Cells for investigating the parameters of high-frequency dielectrics under the influence of various exte( factors / Interdisciplinary scientific and technical conf. «Methods, devices and equipment for standard and special tests of radio engineering materials»: collection of materials. — Moscow: VIMI, 1979. P. 34 – 51 [in Russian].Подгорный Ю. В., Лучников А. П. Влияние геометрических параметров измерительной ячейки на точность измерения диэлектриков / Международная науч.-практ. конф. «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения»: сб. материалов. — М.: МИРЭА, 2003. C. 192 – 200.Podgornyi Yu. V., Luchnikov A. P. Influence of geometrical parameters of the measuring cell on the accuracy of measurement of dielectrics / International scientific and practical. conf. «Fundamental problems of piezoelectric instrumentation»: a collection of materials. — Moscow: MIREA, 2003. P. 192 – 200 [in Russian].Лучников А. П., Подгорный Ю. В. Общая модель ячейки плоского измерительного конденсатора для бесконтактного исследования диэлектрических характеристик материалов / V Международная науч.-техн. конф.: сб. материалов. — М.: МИРЭА, 2007. C. 89 – 93.Luchnikov A. P., Podgornyi Yu. V. General cell model of a parallel-plate capacitor for contactless investigation of dielectric properties of materials / V International scientific and technical. conf.: collection of materials. — Moscow: MIREA, 2007. P. 89 – 93 [in Russian].Лущейкин Г. А. Методы исследования электрических свойств полимеров. — М.: Химия, 1988. — 160 с.Lushcheikin G. A. Investigation methods electric properties of polymers. — Moscow: Khimiya, 1988. — 160 p. [in Russian].Царьгородцев Ю. П., Чухланцев А. А., Кобылянский В. И. Метод и установка для измерения комплексной диэлектрической проницаемости составляющих растительности в диапазоне частот 30 – 300 МГц / Лесной вестник. 2005. № 3. C. 129 – 140.Tsargorodtsev Yu. P., Chukhlantsev A. A., Kobulyansky V. I. Method and apparatus for measuring the complex permittivity of vegetation components in the frequency range from 30 to 300 MHz. / Les. Vestn. 2005. N 3. P. 129 – 140 [in Russian].Бакина Л. И., Зефиров В. Л., Голубев А. Н. Исследование технологии изготовления деталей из синтактных пенопластов низкой плотности для антенных устройств / XXV Международная науч.-техн. конф. «Информационные системы и технологии — 2019»: сб. материалов. — Нижний Новгород: Нижегородский государственный технический университет имени Р. Е. Алексеева, 2019. C. 134 – 138.Bakina L. I., Zephirov V. L., Golubev A. N. Research of manufacturing techniques of details from sintaktny polyfoams of low density for antenna arrangements / XXV International scientific and technical conf. «Information systems and technologies — 2019»: collection of materials. — Nizhnyi Novgorod: Nizhegor. gos. tekhn. univ. im. R. E. Alekseeva, 2019. P. 134 – 138 [in Russian].

The authors declare that there are no conflicts of interest present.