zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2025-91-12-38-47zldm-2671Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. PHYSICAL METHODS OF TESTING AND QUALITY CONTROLОпределение диэлектрических характеристик материалов с использованием объемного резонатораDetermination of dielectric characteristics of materials using a volumetric resonatorСивакА. С.SivakA. S.

Антон Сергеевич Сивак

410086, г. Саратов, ул. Б. В. Спицына, д. 1, стр. 1

Anton S. Sivak

1, str. 1, ul. B. V. Spitsyna, Saratov, 410086

КалгановаС. Г.KalganovaS. G.

Светлана Геннадьевна Калганова

410086, г. Саратов, ул. Б. В. Спицына, д. 1, стр. 1

410012, г. Саратов, ул. Астраханская, д. 83.

Svetlana G. Kalganova

1, str. 1, ul. B. V. Spitsyna, Saratov, 410086

83, ul. Astrakhanskaya, Saratov, 410012

nayka@kontakt-saratov.ruТригорлыйС. В.TrigorlyS. V.

Сергей Викторович Тригорлый

410086, г. Саратов, ул. Б. В. Спицына, д. 1, стр. 1

Sergey V. Trigorly

1, str. 1, ul. B. V. Spitsyna, Saratov, 410086

КадыковаЮ. А.KadykovaJ. A.

Юлия Александровна Кадыкова

410086, г. Саратов, ул. Б. В. Спицына, д. 1, стр. 1

410012, г. Саратов, ул. Астраханская, д. 83.

Julia A. Kadykova

1, str. 1, ul. B. V. Spitsyna, Saratov, 410086

83, ul. Astrakhanskaya, Saratov, 410012

СахаджиГ. В.SakhadzhiG. V.

Георгий Владиславович Сахаджи

410086, г. Саратов, ул. Б. В. Спицына, д. 1, стр. 1

410012, г. Саратов, ул. Астраханская, д. 83.

George V. Sakhadzhi

1, str. 1, ul. B. V. Spitsyna, Saratov, 410086

83, ul. Astrakhanskaya, Saratov, 410012

СивакТ. П.SivakT. P.

Татьяна Павловна Сивак

410086, г. Саратов, ул. Б. В. Спицына, д. 1, стр. 1

Tatiana P. Sivak

1, str. 1, ul. B. V. Spitsyna, Saratov, 410086

ВасинкинаЕ. Ю.VasinkinaE. Yu.

Екатерина Юрьевна Васинкина

410086, г. Саратов, ул. Б. В. Спицына, д. 1, стр. 1

Ekaterina Yu. Vasinkina

1, str. 1, ul. B. V. Spitsyna, Saratov, 410086

Научно-производственное предприятие «Контакт»РоссияScientific Production Enterprise «Kontakt»Russian FederationНаучно-производственное предприятие «Контакт»; Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н. Г. ЧернышевскогоРоссияScientific Production Enterprise «Kontakt»; Saratov State UniversityRussian Federation20252412202591123847Copyright © Сивак А.С., Калганова С.Г., Тригорлый С.В., Кадыкова Ю.А., Сахаджи Г.В., Сивак Т.П., Васинкина Е.Ю., 20252025Сивак А.С., Калганова С.Г., Тригорлый С.В., Кадыкова Ю.А., Сахаджи Г.В., Сивак Т.П., Васинкина Е.Ю.Sivak A.S., Kalganova S.G., Trigorly S.V., Kadykova J.A., Sakhadzhi G.V., Sivak T.P., Vasinkina E.Y.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/2671

Развитие СВЧ-электротехнологий требует точных и надежных определений диэлектрических свойств материалов. Особенно это актуально для материалов с широким диапазоном значений диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, для которых традиционные методы анализа недостаточно чувствительны или чрезмерно сложны. Цель работы — определение диэлектрических характеристик материалов с использованием объемного резонатора на частоте 2,45 ГГц. Анализировали такие параметры резонатора, как резонансная частота и добротность, используемые для определения диэлектрических свойств материалов. Проведено численное моделирование резонатора для исследования распределения в нем электрического и магнитного полей основной моды TM010. При анализе условий возбуждения основной и паразитных мод установлено их влияние на точность измерений параметров резонатора и определение диэлектрических свойств объектов. Показано, что расчетные значения диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь материалов хорошо согласуются с литературными данными (погрешность — ~3 и ~6 % соответственно). Полученные результаты могут быть использованы при определении резонаторным методом диэлектрических характеристик материалов в широком диапазоне значений и исследовании электрофизических свойств материалов и сред.

The development of microwave electrical technologies requires accurate and reliable measurements of the dielectric properties of materials. This is especially important for materials with a wide range of dielectric constant and dielectric loss tangent values, for which traditional analysis methods are either insufficiently sensitive or excessively complex. The purpose of this work is to determine the dielectric characteristics of materials using a volume resonator at a frequency of 2.45 GHz. The parameters of the resonator, such as the resonant frequency and quality factor, were analyzed to determine the dielectric properties of the materials. Numerical modeling of the resonator was performed to study the distribution of electric and magnetic fields of the main mode TM010. The analysis of the excitation conditions of the main and parasitic modes revealed their influence on the accuracy of measuring the parameters of the resonator and determining the dielectric properties of objects. It is shown that the calculated values of the dielectric constant and the tangent of the loss angle of materials are in good agreement with the literature data (the error is ~3 and ~6%, respectively). The results obtained can be used to determine the dielectric characteristics of materials in a wide range of values by the resonator method and to study the electrophysical properties of materials and media.

резонансный метод измеренияобъемный резонатордиэлектрические свойстваСВЧ-диапазонматематическое моделированиемода резонатораresonant method of measurementbulk resonatordielectric propertiesmicrowave rangemathematical modellingresonator modeИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда No 24- 29-00796 (https://rscf.ru/project/24-29-00796).ReferencesЕгоров В. Н., Масалов В. Л., Токарева Е. Ю., Алтаев О. О. Состояние и перспективы диэлектрических измерений / Альманах современной метрологии. 2019. No 2(18). С. 37 – 45.Egorov V. N., Masalov V. L., Tokareva E. Yu., Altaev O. O. Status and perspectives of dielectric measurements / Almanakh Sovr. Metrol. 2019. No. 2(18). P. 37 – 45 [in Russian].Егоров В. Н. Резонансные методы исследования диэлектриков на СВЧ / Приборы и техника эксперимента. 2007. Т. 50. No 2. С. 5 – 38.Egorov V. N. Resonant methods of dielectric research at microwave frequencies / Prib. Tekhn. Éksperim. 2007. Vol. 50. No. 2. P. 5 – 38 [in Russian].Крылов В. П., Чирков Р. А., Жителев А. Е., Забежайлов М. О. Исследование диэлектрических свойств деструктирующих материалов при нагреве / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2024. Т. 90. No 5. С. 33 – 39. DOI: 10.26896/1028-6861-2024-90-5-33-39Krylov V. P., Chirkov R. A., Zhitelev A. E., Zabezhailov M. O. Study of dielectric properties of destructive materials during heating / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2024. Vol. 90. No. 5. P. 33 – 39 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2024-90-5-33-39Архангельский Ю. С. Справочная книга по СВЧ-электротермии. — Саратов: Научная книга, 2011. — 560 с.Arkhangelsky Yu. S. Reference book on microwave electrothermia. — Saratov: Nauchnaya kniga, 2011. — 560 p. [in Russian].Егоров В. Н., Масалов В. Л., Кащенко М. В., Токарева Е. Ю. Установка для диэлектрических измерений на СВЧ при нагреве до 1800 °C / Известия вузов. Физика. 2013. Т. 56. No 8/2. С. 347 – 349.Egorov V. N., Masalov V. L., Kashchenko M. V., Tokareva E. Yu. Installation for dielectric measurements on microwave at heating up to 1800°C / Izv. Vuzov. 2013. Vol. 56. No. 8/2. P. 347 – 349 [in Russian].Сивак А. С., Тригорлый С. В., Калганова С. Г. и др. Исследование диэлектрических свойств высокоэнергетических радиопоглощающих композитов / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2025. Т. 9. No 4. С. 28 – 35. DOI: 10.26896/1028-6861-2025-91-4-28-35Sivak A. S., Trigorly S. V., Kalganova S. G., et al. Investigation of dielectric properties of high-energy radio-absorbing composites / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2025. Vol. 9. No. 4. P. 28 – 35 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2025-91-4-28-35Сивак А. С., Калганова С. Г., Кадыкова Ю. А. и др. Исследования диэлектрических свойств эпоксидных полимеров / XX Международ. науч.- практ. конф. «Новые полимерные композиционные материалы»: сб. тр. — Нальчик: Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х. М. Бербекова, 2024. С. 279.Sivak A. S., Kalganova S. G., Kadykova Yu. A., et al. Studies of dielectric properties of epoxy polymers / Proc. of the XX Int. Sci.- Pract. Conf. «New polymer composite materials». — Nalchik: Kabardino- Balkarskiy gos. univ. im. Kh. M. Berbekova, 2024. P. 279 [in Russian].Ерёменко В. Т., Фисун А. П., Кокорин А. М. и др. Основы построения направляющих систем и объемных резонаторов: учеб. пособие. — Орёл: ОГУ им. И. С. Тургенева, 2017. — 228 с.Eremenko V. T., Fisun A. P., Kokorin A. M. Fundamentals of construction of guiding systems and volume resonators: textbook. — Orel: OGU im. I. S. Turgeneva, 2017. — 228 p. [in Russian].Ширман Я. Д. Радиоволноводы и объемные резонаторы. — М.: Связьиздат, 1959. — 378 с.Shirman Ya. D. Radio waveguides and volume resonators. — Moscow: Svyazizdat, 1959. — 378 p. [in Russian].Матизин А. К., Соколов А. С. Электродинамическая модель цилиндрического резонатора для измерения параметров подложек в 2-см диапазоне длин волн / Сборник трудов передовой инженерной школы: сб. науч. статей. — Курск: Университетская книга, 2024. С. 78 – 83.Matizin A. K., Sokolov A. S. Electrodynamic model of a cylindrical resonator for measuring substrate parameters in the 2-sm wavelength range / Collection of works of the advanced engineering school: collection of scientific articles. — Kursk: Universitetskaya kniga, 2024. P. 78 – 83 [in Russian].Кугушев А. М., Голубева Н. С., Митрохин В. Н. Основы радиоэлектроники. Электродинамика и распространение радиоволн: учеб. пособие. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. — 368 с.Kugushev A. M., Golubeva N. S., Mitrokhin V. N. Fundamentals of radio electronics. Electrodynamics and propagation of radio waves: textbook. — Moscow: MGTU im. N. E. Baumana, 2001. — 368 p. [in Russian].Белых А. Д., Нассим С. К., Гагарин А. Г. Методика измерения СВЧ- параметров диэлектрических пластин / Электроника и микроэлектроника СВЧ. 2023. Т. 1. С. 473 – 477.Belykh A. D., Nassim S. K., Gagarin A. G. Methodology for measuring microwave parameters of dielectric plates / Élektron. Mikroélektron. SVCh. 2023. Vol. 1. P. 473 – 477 [in Russian].Ложкин Л. Д., Солдатов А. А. Моделирование измерения электрофизических параметров тонких образцов на основе объемных резонаторов в среде проектирования Microwave Studio / Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2016. No 12-1. С. 23 – 30.Lozhkin L. D., Soldatov A. A. Modeling of measurement of electrophysical parameters of thin samples based on volume resonators in the design environment Microwave Studio / Mezhdunar. Zh. Prikl. Fundam. Issl. 2016. No. 12-1. P. 23 – 30 [in Russian].Богуш В. А., Родионова В. Н., Танана О. В. Моделирование параметров устройства связи измерительного резонатора с СВЧ-трактом / Вестник ПГУ. 2022. 1 4. С. 43 – 48.Bogush V. A., Rodionova V. N., Tanana O. V. Modeling of parameters of coupling device of measuring resonator with microwave path / Vestn. PGU. 2022. No. 4. P. 43 – 48 [in Russian].Lal S., Pant K. Study of the effect of loop inductance on the RF transmission line to cavity coupling coefficient / Rev. Sci. Instrum. 2016. Vol. 87. No. 8. P. 083308. DOI: 10.1063/1.4961578Lal S., Pant K. Study of the effect of loop inductance on the RF transmission line to cavity coupling coefficient / Rev. Sci. Instrum. 2016. Vol. 87. No. 8. P. 083308. DOI: 10.1063/1.4961578Rodionova V., Slepyan G., Karpovich V., et al. Electromagnetic modelling of broadband coupling elements between high-Q resonators and single-mode waveguides / Proc. of the 11th Int. Conf. on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory. — Kharkov, 2006. P. 382 – 386.Rodionova V., Slepyan G., Karpovich V., et al. Electromagnetic modelling of broadband coupling elements between high-Q resonators and single-mode waveguides / Proc. of the 11th Int. Conf. on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory. — Kharkov, 2006. P. 382 – 386.Karpovich V., Slepyan G., Skresanov V., et al. Grating coupling elements for high-Q resonators and rectangular waveguides of the millimeter wave band / J. Comm. Technol. Electronics. 2006. Vol. 12. P. 1227 – 1231.Karpovich V., Slepyan G., Skresanov V., et al. Grating coupling elements for high-Q resonators and rectangular waveguides of the millimeter wave band / J. Comm. Technol. Electronics. 2006. Vol. 12. P. 1227 – 1231.Davidovich M. V., Kobetz A. K., Sayapin K. A. Excitation of a rectangular resonator through communication windows in the conveyor installation of microwave heating / Phys. Wave Proc. Radio Syst. 2022. Vol. 25. No. 4. P. 88 – 99. DOI: 10.18469/1810-3189.2022.25.4.88-99Davidovich M. V., Kobetz A. K., Sayapin K. A. Excitation of a rectangular resonator through communication windows in the conveyor installation of microwave heating / Phys. Wave Proc. Radio Syst. 2022. Vol. 25. No. 4. P. 88 – 99. DOI: 10.18469/1810-3189.2022.25.4.88-99Хиппель А. Р. Диэлектрики и их применение. / Пер. с англ. — М.: Госэнергоиздат, 1959. — 336 с.Hippel A. R. Dielectrics and their applications. — Moscow: Gosenergoizdat, 1959. — 336 p. [Russian trnslation].Achouri K., Caloz Ch. Electromagnetic Properties of Materials / Electromagn. Metasurf.: Theory Appl. 2021. P. 7 – 29. DOI: 10.1002/9781119525219.ch2Achouri K., Caloz Ch. Electromagnetic Properties of Materials / Electromagn. Metasurf.: Theory Appl. 2021. P. 7 – 29. DOI: 10.1002/9781119525219.ch2

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