CC BY
49ИЗМЕРЕНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ диэлектрическои ПРОНИЦАЕМОСТИ ПОЛЯРНЫХ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
НА СВЧ Петухова Н.А.1, Гатчин И.Ю.2
'Петухова Наталья Александровна — аспирант;
2Гатчин Иван Юрьевич - аспирант, кафедра проектирования и безопасности компьютерных систем, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационный; технологий,
механики и оптики, г. Санкт-Петербург
Аннотация: в статье рассмотрена возможность измерения комплексной диэлектрической проницаемости полярных жидкостей с использованием микрополосковой структуры с кюветой. Приведены кривые частотных зависимостей коэффициента пропускания структуры, полученные при различных значениях комплексной диэлектрической проницаемости.
Ключевые слова: диэлектрик, диэлектрическая проницаемость, жидкий диэлектрик, СВЧ, фотонный кристалл.
Ранее [1] и [2] рассмотрены, что для определения таких электрофизических параметров жидких и твёрдых диэлектриков, как толщина или комплексная диэлектрическая проницаемость образца, по спектру прохождения Т (ю) или отражения К(ю) электромагнитного излучения, может быть использован метод наименьших квадратов, при реализации которого находится такое значение искомого параметра р, при котором сумма S квадратов разностей экспериментальных (Гэксп или ,Кэксп) и расчетных (Т(ю, р) или К(ю, р) ) значений коэффициентов прохождения или отражения:
N
5 (Р) = Х (Тьксп ~ Т (Ы1эксрр) ) 1=1
или
N
5 (Р) = X эксп ~ й (ЫЬксРр) ) 1=1
или
"г 2 2
5 ( Р ) = Х | ( Тэксп ~ Т ( Ш эксрр) ) + ( К 1эксп - К ( О ЬэксрР) )
¡=1
становится минимальной, где М- число экспериментальных точек.
Таким образом, искомое значение неизвестного параметра (толщины или комплексной диэлектрической проницаемости образца) риск можно определить, решив уравнение:
ад = 0 др '
Данное уравнение можно решить численными методами с помощью персональных компьютеров.
Если задача, с физической точки зрения, позволяет провести оптимизацию функции невязок по нескольким параметрам, то уравнение заменится системой уравнений. В случае если искомый параметр есть комплексная величина (комплексная диэлектрическая проницаемость, комплексная магнитная проницаемость и т. д.), то задачу необходимо решать в комплексной плоскости.
В работе [3] авторами показана возможность появления «окон» прозрачности в «запрещённой зоне» на частотной зависимости коэффициента пропускания микрополоскового фотонного кристалла при внесении в его периодическую структуру нарушения. Известна высокая чувствительность частотной зависимости «окон» прозрачности к параметрам нарушения периодичности в слоистой структуре. Авторами [4, 5] показана возможность использования этого свойства фотонных кристаллов на основе волноводной конструкции для контроля диэлектрической проницаемости слоистых диэлектриков и параметров нанометровых металлических слоев на изолирующих подложках.
У так называемых полярных жидкостей молекулы обладают собственным дипольным моментом, поэтому при воздействии на них электрического поля они ориентируются вдоль линий напряженности поля. Процесс ориентации происходит некоторое время, называемое временем релаксации, при этом электрическое поле совершает работу и, следовательно, затрачивает энергию. При воздействии переменного электрического поля высокой частоты процесс переориентации молекул с потерей энергии поля происходит постоянно. Следовательно, амплитуда электромагнитной волны, проходящей через слой такого вещества, будет уменьшаться с пройденным расстоянием.
Свойство среды ослаблять проходящую через нее волну находит отражение в таком параметре, как комплексная диэлектрическая проницаемость вещества ее образующего ] • £", а именно в мнимой ее части £ ". Для измерения комплексной диэлектрической проницаемости жидкостей, обладающих такими свойствами, может быть использована микрополосковая структура с кюветой, подобная той, что предлагалась для исследования свойств неполярных жидкостей. Однако здесь необходимо иметь дело с меньшим количеством вещества, иначе пик коэффициента пропускания, соответствующий разрешенному уровню фотонной структуры, сильно потеряет в амплитуде и может быть даже неразличим на фоне дна полосы заграждения, соответствующей запрещенной зоне. Кроме того, полярные жидкости могут обладать и большой величиной действительной части комплексной диэлектрической проницаемости, а это, при относительно больших геометрических размерах неоднородности, может привести к смещению разрешенного уровня слишком близко к краю запрещенной зоны и даже к его исчезновению.
.Учитывая вышесказанное, для исследования полярных жидкостей предлагается структура, изображенная на рис. 1, с постоянной шириной полоскового проводника равной 1 мм и постоянной толщиной подложки равной 1 мм, периодическая часть которой образована отрезками длиной 8 мм на диэлектрической подложке ( £ = 9,6) и отрезками длиной 20 мм, выполненными в виде воздушной полосковой линии ( £ = 1). Измерительная структура, как и рассмотренная в предыдущем разделе, имеет нарушение периодичности - центральную секцию длиной 32 мм на подложке с диэлектрической проницаемостью £ = 9,6 с кюветой для измерения жидкостей. Измерительная кювета в данном случае выполнена в виде узкой щели шириной 1 мм и рассчитана для исследования свойств жидких диэлектриков с большой мнимой
„п _ _ , . „
частью £ комплексной диэлектрической проницаемости £ = £ — ] • £ , то есть веществ с
большим поглощением на СВЧ. Измерительная кювета расположена таким образом, что делит центральную секцию в направлении распространения - излучения на три последовательно соединенных отрезка с длинами 15,5 мм, 1 мм - кювета и 15,5 мм.
Рис. 1. Модель микрополосковой измерительной структуры с кюветой для неполярных жидких
диэлектриков
Результаты математического моделирования прохождения СВЧ- излучения через измерительную структуру с узкой кюветой представлены на рис. 2 (кривая 1 - £ = 1 (пустая кювета), кривая 2 - £=40, кривая 3 - £=80, кривая 4 - £=50-5], кривая 5 - £=80-10]). Кривые частотных зависимостей коэффициента пропускания структуры, полученные при различных значениях комплексной диэлектрической проницаемости , как и в случае с
широкой кюветой, показывают уменьшение частоты разрешенного уровня с увеличением действительной части диэлектрической проницаемости исследуемого вещества и уменьшение амплитуды пика коэффициента пропускания с увеличением мнимой части. При этом смещение максимума коэффициента пропускания по частоте и амплитуде достаточно существенное, несмотря на малые размеры кюветы, поскольку при расчетах использовался большой диапазон значений комплексной диэлектрической проницаемости вещества в кювете.
Такие значения £ = £ — ] ■ £ "свойственны различным полярным жидкостям, таким как вода, спирты, кислоты и другие органические и неорганические растворители.
Моделировалось измерение диэлектрической проницаемости неполярных жидких диэлектриков с диэлектрической проницаемостью £ = 40 — 6,0] , помещаемых в кювету длиной 1 мм (рис. 1).
Рис. 2. Частотные зависимости коэффициента пропускания фотонной структуры с кюветой для полярных жидких диэлектриков, рассчитанные при различных величинах комплексной диэлектрической проницаемости £ = £' — ]■ £' помещенного в кювету вещества
Данные для решения тестовой задачи задавались в виде значений коэффициента пропускания исследуемой структуры, полученных из выражения (3) с погрешностью ±0,2 дБ
£ (£)
при погрешности в задании частоты ±0,1 % (±5 МГц). Функция невязок ^ ' , определяемая выражением (1), представленная на рис. 3.3, обладает ярко выраженным глобальным
,£ ',££ (в).
минимумом в пространстве координат ( ), что позволяет однозначно определять
действительную и мнимую часть комплексной диэлектрической проницаемости жидкого диэлектрика.
где Б - коэффициент прохождения СВЧ мощности, Т[1,1] - элемент матрицы передачи Т.
45
а
40
б
Рис. 3. Вид функций невязок в пространстве искомых параметров (а) и контурная карта функции невязок
£ и £ (б) для жидкого диэлектри проницаемостью £ = 40 — 6,0]
в плоскости искомых параметров £ и £ (б) для жидкого диэлектрика с комплексной диэлектрической
Значения действительной £ и мнимой £ частей комплексной диэлектрической проницаемости, при котором функция невязок ££) достигает своего минимального значения, является решением уравнения (2), то есть искомым значением диэлектрической проницаемости £ИСК жидкого диэлектрика.
дБ ( £) д(Е ( ( Оэксп — й (/,£) ) 2)
-ТГ2 = —-л-- = 0 ■ ( 2 )
да да
На рис. 4 представлены частотные зависимости тестовых (точки) и рассчитанных (линия) значений коэффициента пропускания, полученные с использованием найденного значения диэлектрической проницаемости гиск жидкого диэлектрика. Относительная погрешность определения действительной части комплексной диэлектрической проницаемости жидкого диэлектрика по тестовым данным составила ±0,06 %, а мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости составила ±1,24 %.
Рис. 4. Частотные зависимости тестовых (точки) и рассчитанных (линия) значений коэффициента пропускания, полученные с использованием найденного значения комплексной диэлектрической
проницаемости £^¡^ = 39,98 — 5,98у
Таким образом, разработано теоретическое обоснование возможности измерения параметров материалов образцов, выполняющих роль подложки одного из отрезков структуры микрополоскового фотонного кристалла, а также образцов, находящихся в непосредственной близости над подложкой и полосковым проводником, в широком диапазоне изменения их параметров по спектрам прохождения, взаимодействующего с фотонным кристаллом сверхвысокочастотного излучения. Предложены и проанализированы электродинамические параметры конструкций микрополосковых фотонных кристаллов, применимых для измерения комплексной диэлектрической проницаемости- твердых диэлектриков и жидких неполярных и полярных диэлектриков. Решён ряд тестовых задач по определению комплексной диэлектрической проницаемости образцов, размещённых в предложенных конструкциях микрополосковых фотонных кристаллов, при наличии погрешностей в измеренных значениях коэффициента, пропускания и частоты электромагнитного излучения.
В работе проведено теоретическое обоснование возможности измерения параметров материалов образцов, выполняющих роль подложки одного из отрезков структуры микрополоскового фотонного кристалла, а также образцов находящихся в непосредственной близости над подложкой и полосковым проводником, в широком диапазоне изменения их параметров по спектрам прохождения, взаимодействующего с фотонным кристаллом сверхвысокочастотного излучения.
Список литературы
1. Петухова Н.А. Электродинамические свойства СВЧ-фотонных кристаллов с различными рода включениями. Научный форум: технические и физико-математические науки: сборник статей по материалам V международной заочной научно-практической конференции (Москва, 11-21мая 2017г.) [заочная конф]. 2017. № 4(5). С. 18-34.
2. Петухова Н.А. Применение СВЧ-фотонных кристаллов для создания функциональных устройств СВЧ-электроники. Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы в XXI веке: сборник статей Международной научно - практической конференции (3 ноября 2017 г, г. Пермь). В 2 ч. Ч.1. 2017. Т. 1. С. 74-81.
3. Севастьянов А.А. Измерение диэлектрических характеристик жидкостей с помощью решеток брэгга в радиочастотном коаксиальном кабеле // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 4. С. 213.
4. Kuriazidou C.A., Contopanagos H.F., Alexopolos N.G. Monolithic waveguide filters using printed photonic-bandgap materials // IEEE Transactions on microwave theory and techniques. 2001. V. 49. N. 2. P. 297-306.
5. Олейник В.В., Макаров Д.Г., Данилов В.В. Измерение: диэлектрической проницаемости с использованием волноводной брэгговской структуры // Материалы 15-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» КрыМиКо-2005. Украина, Севастополь, 12-16 сентября 2005 г. С. 785-786.
МИНИ-ГЭС В КОНТЕЙНЕРЕ Бурьянов Р.О.
Бурьянов Роман Олегович - студент магистратуры, кафедра программно-целевого управления в приборостроении, Государственный университет аэрокосмического приборостроения, г. Санкт-Петербург
Венгерская компания Ganz EEM (дочернее предприятие «Атомэнергомаша») производит контейнерные мини-ГЭС, а также компоненты стационарных мини-ГЭС. Контейнерная мини-ГЭС представляет собой турбину и комплект вспомогательного оборудования, установленные в контейнере. Контейнерное решение позволяет существенно сократить сроки запуска и в разы снизить стоимость строительных работ.
Цена типовая, но все зависит от конкретного проекта — какие-то отдельные узлы и агрегаты могут быть собраны непосредственно на территории заказчика, и это ведет к снижению стоимости (проекта). Стоимость проекта по разработке Ganz EEM контейнерной мини-ГЭС составила 738 миллионов форинтов (2,46 миллиона евро).
Мини-ГЭС в контейнере предназначена для удовлетворения потребностей населения и промышленности в таких отдаленных районах, где отсутствует центральное электроснабжение. Также они могут служить для замены существующей системы электроснабжения, использующей дизельные генераторы. Условием для размещения и эксплуатации является наличие горных рек, при помощи которых генерируется электроэнергия.
Основное преимущество мини-ГЭС заключается в том, что после транспортировки к месту установления и подключения воды к турбине производство электроэнергии может быть начато в течение короткого срока. Компактное оборудование имеет все необходимые устройства, которые нужны для работы, управления и контроля мини-ГЭС. Вмонтированный аккумулятор, в случае остановки турбин, обеспечивает электроэнергию для работы управления и позволяет передавать информацию путем спутниковой связи в контрольный центр. В случае отсутствия подключения к сети дизельный генератор обеспечивает необходимую электроэнергию для запуска системы. Система состоит из гидротурбины типа Френсис средней мощности, с горизонтальным валом, генератора и системы управления (СУП). Генератор обеспечивает напряжение 400 В, 50 Гц с тремя фазами. Для работы мини-ГЭС напор потока воды должен составлять 60-65 м, при подаче 1 м3/сек. При таких исходных данных номинальная мощность системы равняется 500 Квт. В случае напора потока воды 120 м и подачи 1 м3/сек номинальная электрическая мощность системы составляет 1 МВт.
Больший объем воды используется экономно с применением нескольких турбин в контейнерах. В зависимости от объема и напора воды применяется турбина мощностью от 0,4 до 2,0 МВт. В зависимости от местных условий применяются и другие решения с целью использования воды в больших объемах. Компоненты оборудования встроены в 2 стандартных контейнера. В одном находятся подключение воды и турбогенератор, а в другом -электрическое подключение и СУП. Для установления мини-ГЭС необходимы фундамент, водозабор, клапан, нагнетательная труба и подключение к местной сети.
Если принимать во внимание имеющийся предварительный напор (55-120 м), и при наличии необходимой подачи воды реки 1-2 м3/с, река обладает большей полезной подачей, в этом случае с установкой и параллельным соединением нескольких контейнеров, можем необходимым образом использовать доступную подачу воды. В данном случае необходимо увеличить только число контейнеров, в которых содержится блок турбины-генератора, и это можно обслуживать с контейнера общей системы управления. В этом случае удельная стоимость инвестиций на единицу производства электроэнергии еще лучше. Если нет необходимого полезного напора, но значительная подача воды реки, то вместо применения
