Определение диэлектрических характеристик материалов с использованием объемного резонатора

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.

1. Егоров 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.

2. Егоров В. Н. Резонансные методы исследования диэлектриков на СВЧ / Приборы и техника эксперимента. 2007. Т. 50. No 2. С. 5 – 38.

3. 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: 10.26896/1028-6861-2024-90-5-33-39

4. Архангельский Ю. С. Справочная книга по СВЧ-электротермии. — Саратов: Научная книга, 2011. — 560 с.

5. 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.

6. 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: 10.26896/1028-6861-2025-91-4-28-35

7. Сивак 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.

8. 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.

9. Ширман Я. Д. Радиоволноводы и объемные резонаторы. — М.: Связьиздат, 1959. — 378 с.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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: 10.1063/1.4961578

16. 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.

17. 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.

18. 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: 10.18469/1810-3189.2022.25.4.88-99

19. Хиппель А. Р. Диэлектрики и их применение. / Пер. с англ. — М.: Госэнергоиздат, 1959. — 336 с.

20. Achouri K., Caloz Ch. Electromagnetic Properties of Materials / Electromagn. Metasurf.: Theory Appl. 2021. P. 7 – 29. DOI: 10.1002/9781119525219.ch2