Материалы электроизоляционные. Методы определения диэлектрических свойств на частотах свыше 300 МГц. Резонансные методы

УДК 621.315,61.019.3:006.354

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ

Методы определения диэлектрических свойств
на частотах свыше 300 МГц.
Резонансные методы
Electrical insulating materials. Methods for
determination of the dielectric properties
at frequencies above 300 MHz.
Resonance methods

ОКСТУ 3490

Срок действия с 01.01.90 до 01.01.95
Несоблюдение стандарта преследуется по закону

1. ОБЛАСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

Настоящий стандарт устанавливает методики определения от­носительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, а также таких имеющих к ним отноше­ние показателей, как коэффициент диэлектрических потерь твердых и жидких или плавких электроизоляционных материалов в микроволновом диапазоне частот, при помощи резонансных мето­дов. Описанные ниже методы относятся прежде всего к образ­цам с низкими потерями.

2. ВВЕДЕНИЕ

Измерительные методы, которые будут описаны в стандарте^ подразумевают использование резонансной аппаратуры. Такая аппаратура состоит, в основном, из отрезка передающей линии с определенной площадью поперечного сечения, короткозамкнутой с двух сторон на длине, краткой половине длины рабочей волны. Когда образец помещают в резонатор, то длина рабочей волны изменяется. Сдвиг частоты или изменение длины, соответственно требующиеся для установки резонанса, а также связанное с этим изменение коэффициента являются критериями диэлектрических свойств испытываемого образца.
Особым преимуществом резонансных методов по сравнению с другими испытательными методами является использование чрезвычайно высоких показателей коэффициента Q без нагрузки, которые можно получить за счет использования соответствующей

Издание официальное
16
Перепечатка воспрещена

ГОСТ 27496.2—-87 (МЭК 377-2-77) С. 2

формы волны и соответствующей конструкции, что позволяет из­мерять очень низкие значения тангенса угла диэлектрических по­терь. Таким образом, чтобы использовать преимущества этого ме­тода, резонатор конструируют применительно к конкретным усло­виям и цели измерения (частота, форма и диэлектрические свойст­ва образца). Во избежание получения сомнительных результатов необходимо тщательное изучение конфигурации полученного поля. Следовательно, резонансная аппаратура будет узкополосным прибором с результирующей испытательной частотой, зависящей от размеров, формы, диэлектрических свойств И расположения испытываемого образца внутри резонатора.
Общераспространенными являются следующие типы резона­торов .■
Тип резонатора
1 Диапазон
частоты
Форма образца
Примечания
Приложение
Проходной
Коаксиальный Объемный (закрытый)
100 МГц—1 ГГц
1 ГГц—3 ГГц
1 Г Гц—30 ГГц
1
Диск Трубка Диск, стержень

!
А.1
А.2
А.З
«Открытый;» Оптический
>3 ГГц
>30 ГГц
Диск Пластина, лист

А.4
А.5

Примечание. Предельные значения частоты и диэлектрической про­ницаемости являются лишь приблизительными и могут быть превышены, если может быть допущено снижение чувствительности по тангенсу угла диэлект­рической проницаемости (см ГОСТ 27496 1—87 разд. 4).
Типы резонаторов, принцип работы, а также оценка результа­тов измерения описываются в Приложении А.
3« ИОПЫТАТГЛ ІэНА^І АППАРАТУРА (см* черт, 1)
1.1. Генератор, обеспечивающий заданную частоту при доста­точном уровне мощности. Частота должна настраиваться или вручную, или автоматически (источник с касающейся частотой) в требуемом частотном диапазоне.
Примечание. Генераторы с качающейся частотой, которые исполь­зуются с индикаторными устройствами (см, п. 3.2.2), очень удобны для быст­рых измерений. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы на форму резонансной кривой не повлияли чрезмерно высокие скорости качания.
17

С. 3 ГОСТ 27496.2—87 (МЭК 377-2-77)

^Установка для резонансных испытаний принципиальная схема

/—микроволновый генератор; 2 —изолятор; 3—направленный ответ­витель; ^ — аттенюатор; 5 — настраивающий прибор; 6 — полость резонатора; 7 —детектор (осциллоскоп); 8 — частотомер. 9 — моду­лятор частоты; /0—выходной стабилизирующий контур

Черт, 1
Выходная мощность должна быть переменной. Желательно иметь средства автоматического контроля уровня.
Примечания:
1, Настраиваемые вручную генераторы для испытаний с фиксированной частотой должны обладать достаточной стабильностью работы, Стабиль­ность частоты в пределах одной миллионной части или меньше обычно бывает достаточной.
2, Во избежание затягивания частоты рекомендуется включать изолятор или фиксированный аттенютор между генератором и схемой.
Во избежание ложных резонансов содержание гармоник долж­но быть менее 1%.
1.2. Детектор достаточной чувствительности при испытатель­ной частоте. С генераторами с ручной или автоматической на­стройкой используются различные типы детекторов.
1.2.1. Детекторы для измерений с фиксированной частотой должны обладать достаточной стабильностью работы. Можно использовать: детекторные вольтметры с усилением или без него, либо приемные устройства, настроенные на микроволновую часто­ту или низкочастотную модуляцию выхода генератора с автомати­ческим контролем частоты или без него.
Примечания:
1. Вообще удобны широкополосные детекторы, так как их не надо настраи­вать на генератор, а у резонансного устройства достаточно высокая избира­тельная способность по отношению к внешним микроволновым помехам. Однако следует иметь в виду, что уровень на входе детектора довольно низ-
18

ГОСТ 27496.2—87 (МЭК 377—2—77) С. 4

кий, а экранирование эффективное на микроволновых частотах может оказаться недостаточным на низких частотах; поэтому там, где имеются по­мехи, настроенное приемное устройство может оказаться незаменимым.
В любом случае необходимо соблюдать осторожность и исключить соеди­нение с землей, которое может возникнуть во время подсоединения электрон­ного оборудования и экранов соединительных волноводов.
2( Предпочтение отдается приемному устройству, показывающему кратное от двух сигналов: одного—идущего от резонатора и другого—полученного от генератора, так как при этом исключаются ошибки, обусловленные изме­нениями мощности на выходе генератора.
1.2.2. Индикаторные устройства используются при измерениях с качающейся частотой. Так как при этом показывается лишь детектированный выходной сигнал резонатора, то можно ис­пользовать любой осциллограф общего назначения, обладающий достаточной чувствительностью.
Примечание. Предпочтение отдают двухлучевому осциллографу (чередующийся способ работы), так как при этом исключаются ошибки, обусловленные колебаниями на выходе генератора.
1.3. Частотомер с достаточно избирательной способностью в диапазоне рабочих частот.
1.4. Эталон затухания 3 дБ или переменный стандартный ат­тенюатор,
1.5. Резонатор, работающий при требуемой частоте.
Примечание. Промышленность может не выпускать резонансный прибор, при помощи которого можно было бы получать оптимальные резуль­таты при произвольно выбранной программе испытаний. Поэтому представляет­ся полезным дать некоторые общие указания по конструкции таких резонато­ров (Приложение А):
) для облегчения машинной обработки с требующейся точностью пред­почтение оказывается резонаторам с круглым сечением;
) при испытании материалов исключительно используемой волны осевой симметрии. Следовательно, при использовании волн типа Н (ТЕМ и ТЕо mn) резонаторы с соотношением длины к диаметру, близким к единице, являются оптимальными, а для волны типа Е —это соотношение вообще
близко к нулю;
) внутренняя поверхность резонатора должна быть ровной, по меньшей мере, до 7* глубины проникновения электромагнитного поля при рабочей частоте. Поэтому обычно необходима полировка;
) поскольку обычно используется бронза, то работа резонаторов улучшит­ся, если на внутренних поверхностях сделать электролитическое покрытие из серебра или золота (для использования при высоких температурах) толщиной примерно до четырехкратной глубины проникновения электромагнитного поля^ При повышенных частотах для резонатора может использоваться серебро;
) скользящие контакты снижают качество "резонатора и особенно при высоких частотах отрицательно влияют на воспроизводимость и точность настройки. Поэтому по мере возможности их следует избегать.
Съемные детали, в частности крышки отверстий, через которые вводят ис­пытываемые образцы, должны быть сконструированы таким образом, чтобы через их контактирующие поверхности не проходили токи
) соединительные элементы должны быть сконструированы таким об­разом, чтобы возбуждать лишь требующийся тип колебаний. Изменение проч­ности соединения не должно влиять на измеренную без нагрузки характе­ристику Qu (см. 5.2). Во время резонанса вносимые потери резонатора порядка 40 дБ могут считаться отвечающими требованиям.

С. 5 ГОСТ 27496.2-87 (МЭК 377—2—77)

4. ИСПЫТЫВАЕМЫЕ ОБРАЗЦЫ

4.1. Форма испытываемого образца должна соответствовать условиям, которые определяет резонатор и тип использующихся колебаний. Вообще используются диски и стержни с круглым сечением. Отдельные требования к различным типам резонаторов приведены в Приложении А.
Примечания:
1. Необходимо, чтобы образец плотно входил Р резонатор по поверхностям, перпендикулярным линиям электрического поля, если во время проведения расчетов можно принять во внимание возникающей сдвиговый эффект. Это имеет особое значение в коаксиальных (ТЕМ) резонаторах и в резонаторах ТМ.
2. Погрешности в диэлектрической проницаемости, обусловленные остаточ­ным зазором между конечной поверхностью резонатора и примыкающей по­верхностью образца, становятся ничтожно малыми, если используются образцы, толщина которых равна половине волны.
3. В полостных резонаторах можно применять образцы в форме стержня с низкой диэлектрической проницаемостью и малыми диаметром ds (по срав­нению с диаметром полости d$,
4.2. Образцы для испытаний должны быть подготовлены в соответствии с требованиями определенного метода (см. При­ложение А), а также РОСТ 27496.1—87.

5. ИЗМЕРЕНИЯ

Методика измерения заключается в следующем:
5.1. Образец вставляют в резонатор и устанавливают резонанс. Затем записывают настроенный параметр (частота или длина соответственно).
5.2. Полуширина резонансно