Объемные полосковые СВЧ-структуры меандровой формы в качестве преобразовательных элементов устройств диэлектрического контроля материалов и веществ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Ишкаев Тимур Маратович

• Ишкаев Тимур Маратович
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Ишкаев Тимур Маратович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ КОМПЛЕКСНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ЖИДКОСТЕЙ, ТВЕРДЫХ И СЫПУЧИХ

МАТЕРИАЛОВ В ДЛИННОВОЛНОВОЙ ОБЛАСТИ СВЧ ДИАПАЗОНА

1.1 Практические приложения методов контроля комплексной диэлектрической проницаемости в длинноволновой

области СВЧ диапазона

1.2 Методы измерения и контроля комплексной диэлектрической проницаемости в длинноволновой области СВЧ диапазона

1.2.1 Метод коаксиального зонда

1.2.2 Метод на основе микрополосковых квазисосредоточенных

резонаторов

1.2.3 Метод на основе микрополосковых брэгговских структур

1.3 Объемные микрополосковые структуры в задачах контроля диэлектрической проницаемости

1.4 Объемные полосковые сверхвысокочастотные структуры меандровой формы

1.5 Выводы по главе 1. Постановка задач исследования

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЯЧЕЕК ОБЪЕМНЫХ ПОЛОСКОВЫХ СВЧ СТРУКТУР МЕАНДРОВОЙ ФОРМЫ

2.1 Математические модели микрополосковых линий

с диэлектрическим покрытием

2.2 Математическая модель симметричной полосковой П-секции с лицевой связью

2.3 Оценка влияния параметров П-секции на чувствительность преобразования диэлектрической проницаемости

2.4 Математическое моделирование однородных П-секций связанных

линий с асимметричной связью

2.5 Математическое моделирование продольно-неоднородной

полосковой П-секции

2.6 Выводы по главе

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ ОБЪЕМНЫХ ПОЛОСКОВЫХ СВЧ-СТРУКТУР МЕАНДРОВОЙ ФОРМЫ ПРИ АНАЛИЗЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКОСТЕЙ И ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.1 Математическая модель периодической структуры

в виде каскадного соединения П-секций

3.2 Компьютерное моделирование процесса измерения диэлектрической проницаемости твердых диэлектриков

3.3 Компьютерное моделирование процесса измерения диэлектрической проницаемости жидких диэлектриков

3.4 Выводы по главе

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАЗРАБОТКЕ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ КОМПЛЕКСНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ С ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ В ВИДЕ ОБЪЕМНОЙ ПОЛОСКОВОЙ СВЧ-СТРУКТУРЫ

МЕАНДРОВОЙ ФОРМЫ

4.1 Измерительный модуль для устройств СВЧ

4.2 Макетирование ОПССМФ и процесс измерения характеристик

4.3 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВАЦ - векторный анализатор цепей;

КЗ - короткое замыкание;

КО - коэффициент отражения;

КП - коэффициент передачи;

КПВ - копланарный волновод;

КПЛ - копланарная линия;

ЛП - линия передачи;

МПЛ - микрополосковая линия;

МФК - микроволновый фотонный кристалл;

НПЛ - несимметричная полосковая линия;

ОПССМФ - объемные полосковые сверхвысокочастотные структуры меандровой формы;

ПК - персональный компьютер;

РРК - резонатор с разрезным кольцом;

СВЧ - сверхвысокая частота;

СН - согласованная нагрузка;

СПЛ - симметричная полосковая линия;

ФК - фотонный кристалл;

ХХ - холостой ход;

ЩЛ - щелевая линия;

EGB - electromagnetic bandgap;

PLA - полилактид;

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Объемные полосковые СВЧ-структуры меандровой формы в качестве преобразовательных элементов устройств диэлектрического контроля материалов и веществ»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования и степень ее разработанности

СВЧ технологии открыли широкие перспективы для создания сенсорных устройств для всевозможных областей применения. Перспективным направлением является область диэлектрического контроля в СВЧ диапазоне, целью которого выступает определение диэлектрических параметров материалов и веществ, либо получение информации о физических и физико-химических характеристиках сред посредством диэлектрического анализа. Проблема разработки датчиков СВЧ диапазона в первую очередь связана с выбором конфигурации и параметров СВЧ устройства, выступающего в качестве преобразовательного элемента, для конкретной области применения. В этой связи нахождение новых путей совершенствования характеристик сенсорных устройств, основой которых является разработка электродинамической структуры как чувствительного элемента, является актуальной научно -технической задачей.

Периодические структуры с эффектом возникновения запрещенных частотных областей, обусловленных брэгговским отражением, встречаются во многих областях науки и техники. Наибольшее распространение подобные элементы получили в оптическом диапазоне. В последние три десятилетия усилился интерес к микроволновым структурам, обладающим подобными физическими свойствами. В зарубежных и отечественных источниках можно встретить следующие названия для таких структур: электромагнитные структуры с запрещенной зоной (electromagnetic bandgap structures), СВЧ

фотонные кристаллы, электромагнитные кристаллы, брэгговские СВЧ структуры. Одним из перспективных направлений их использования можно указать измерительную технику, где подобные структуры выступают в качестве преобразовательных элементов датчиков. Известны работы по разработке датчиков для диэлектрического контроля, уровнеметрии, измерения деформаций и др. Физические свойства периодических систем, связанные с дисперсионным характером распространения электромагнитных волн, обуславливают увеличение чувствительности измерения диэлектрических параметров материалов. На данном принципе построен ряд технических решений для диэлектрических измерений с использованием периодических систем с разнообразной конфигурацией и видом направляющей системы. Наибольший вклад в изучение преобразовательных свойств электромагнитных структур данного класса в микроволновом диапазоне внесли Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Беляев Б.А., Морозов О.Г., Морозов Г.А., Насыбуллин А.Р., B. García-Baños, J. M. Catalá-Civera, V. Radonic, Jie Huang, Tao Wei, Xinwei Lan, Jun Fan, Hai Xiao. Среди возможных реализаций периодических структур брэгговского типа выделяются структуры в полосковом исполнении как характеризующиеся простотой изготовления и обладающие разнообразием форм топологии, широкими возможностями по интеграции с другими пассивными и активными элементами. Реализация измерительных устройств на основе периодических полосковых структур может быть сопряжена с трудностями, связанными с необходимостью увеличения линейных размеров при уменьшении частоты и сложностью контроля диэлектриков с не идеально плоскими поверхностями. Во многом решение указанных проблем может быть решена изменением формы поверхности печатных проводников и диэлектрической подложки, то есть переходом к объемной конфигурации.

Объект исследования - преобразовательные элементы устройств диэлектрического контроля на основе объемных полосковых СВЧ-структур меандровой формы.

Предмет исследования - методы и средства контроля диэлектрических параметров жидкостей, твердых и сыпучих материалов

Цель работы - улучшение метрологических характеристик и функциональных возможностей устройств контроля комплексной диэлектрической проницаемости жидкостей, твердых и сыпучих материалов в длинноволновой области СВЧ диапазона посредством использования новых преобразовательных элементов в виде объемных полосковых СВЧ-структур меандровой формы.

Задачи исследования

1. Сравнительный анализ перспективных экспресс методов контроля комплексной диэлектрической проницаемости жидкостей, твердых и сыпучих материалов в длинноволновой области СВЧ диапазона и определение потенциальных преимуществ чувствительных элементов на основе объемных полосковых СВЧ-структур меандровой формы, обусловленных эффектами связанных линий и брэгговского резонанса в периодических структурах;

2. Построение математических моделей однородных симметричных и асимметричных полосковых П-секций с лицевой связью, имитирующих единичную секцию периодических объемных полосковых СВЧ-структур меандровой формы, с целью анализа достижимых метрологических характеристик и характерных ограничений для различных вариантов конфигураций преобразовательных элементов;

3. Разработка и моделирование объемных полосковых СВЧ-структур меандровой формы, позволяющих улучшить метрологические характеристики и расширить функциональные возможности средств контроля комплексной диэлектрической проницаемости жидкостей, твердых и сыпучих материалов в L и S диапазонах частот;

4. Формулирование практических рекомендаций по разработке средств контроля комплексной диэлектрической проницаемости твердых материалов и жидкостей на основе результатов экспериментальных исследований опытных

образцов предложенных преобразовательных элементов и разработанного СВЧ измерительного модуля.

Научная новизна

1) Предложен новый тип преобразовательных элементов для средств диэлектрического контроля в длинноволновой области СВЧ диапазона на основе объемных полосковых СВЧ-структур меандровой формы, отличающихся от существующих повышенной чувствительностью, малыми линейными размерами и увеличенными функциональными возможностями;

2) Показаны эффекты увеличения чувствительности преобразования диэлектрической проницаемости в полосковых преобразовательных элементах, обусловленные комбинированным действием электромагнитных процессов в связанных линиях и периодических структурах;

3) При исследовании преобразовательных свойств объемных полосковых СВЧ-структур меандровой формы выявлена возможность уменьшения погрешности измерений, возникающей в полосковых преобразовательных элементах по причине появления воздушных зазоров между датчиком и поверхностью исследуемого материала;

4) Предложен новый подход к контролю диэлектрических параметров твердых материалов с выпуклой поверхностью с применением объемных полосковых СВЧ-структур меандровой формы, реализованных на основе гибких подложек.

Практическая ценность работы

Совокупность результатов, полученных в процессе выполнения диссертационной работы, способствуют более глубокому пониманию процессов происходящих в объемных полосковых структурах меандровой формы, определяющих их значимость для совершенствования метрологических характеристик средств и расширения функциональных возможностей контроля диэлектрических параметров жидкостей, твердых и сыпучих материалов; убедительно доказывают возможность создания преобразовательных элементов

с уменьшенными максимальными линейными размерами и улучшенными характеристиками по чувствительности для контроля жидких и сыпучих сред, а также твердых диэлектриков с неидеально плоской или выпуклой поверхностью.

Методология и методы исследования

При выполнении диссертационной работы применялись численные методы электродинамики для расчета квазистатических характеристик СВЧ линий передачи, методы теории СВЧ цепей, методы компьютерного моделирования задач электродинамики, реализованные в коммерческих программах электродинамического моделирования, методы статистической обработки результатов экспериментов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Результаты анализа перспективных экспресс методов контроля комплексной диэлектрической проницаемости жидкостей, твердых и сыпучих материалов в длинноволновой области СВЧ диапазона, определившие потенциальные преимущества чувствительных элементов на основе объемных полосковых СВЧ-структур меандровой формы, обусловленных эффектами связанных линий и резонанса брэгговского типа в периодических структурах;

2) Математические модели однородных симметричных и асимметричных полосковых П-секций с лицевой связью, имитирующих единичную секцию объемных полосковых СВЧ-структур меандровой формы, предназначенные для проведения анализа достижимых метрологических характеристик и характерных ограничений для различных вариантов конфигураций чувствительных элементов, проведения оптимизации параметров полосковых структур по критериям максимальной чувствительности в заданном диапазоне измеряемых величин;

3) Конфигурации преобразовательных элементов на основе объемных полосковых СВЧ-структур меандровой формы для контроля диэлектрических параметров твердых материалов и жидкостей в длинноволновой области СВЧ диапазона; результаты оценки достижимых уровней чувствительностей при

анализе жидкостей и твердых материалов с плоской поверхностью;

4) Принципы построения технических устройств для контроля диэлектрических параметров твердых материалов и жидкостей с применением предложенных объемных полосковых СВЧ-структур меандровой формы.

Обоснованность и достоверность результатов определяются

Обоснованность и достоверность результатов определяются использованием известных положений фундаментальных наук; корректностью использования компьютерных и математических моделей и их подобию реальным физическим процессам; совпадением теоретических результатов с результатами исследований созданных макетных образцов. При решении задач использовались современные программные средства, в том числе пакеты прикладных программ Mathcad для проведения вычислительных экспериментов и CST Studio Suite компьютерного электромагнитного моделирования.

Степень достоверности и апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы полно отражены в опубликованных работах. Они также докладывались и обсуждались на ежегодной Международной научной технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Прикладная электродинамика, фотоника и живые системы» (г. Казань, 2020, 2021, 2022 гг.), Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения (школа молодых ученых)» (г. Казань, 2017, 2020, 2021 г.), Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Казань, 2020), Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Самара, 2021), восьмой и девятой Всероссийской научной школе-семинаре «Взаимодействие

сверхвысокочастотного, терагерцового и оптического излучения с полупроводниковыми микро- и наноструктурами, метаматериалами и биообъектами» (г. Саратов, 2021 и 2022 г.).

Реализация и внедрение результатов работы представлены в рамках выполнения работ по государственному заданию Минобрнауки России КНИТУ-КАИ на проведение научных исследований в 2020-2022 годах (программа «Фократ», соглашение № 075-03-2020-051, fzsu-2020-0020) (Минобрнауки России. Рег. Номер НИОКТР АААА-А20-120122490071-1).

Результаты диссертационной работы внедрены в научно-исследовательскую деятельность и образовательный процесс Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева - КАИ. Результаты работы использовались при проведении инициативных разработок совместно с ООО «Макс Моторс».

Публикации

По материалам диссертации опубликованы 22 научных работ, в том числе восемь статей в журналах, включенных в перечень ВАК, из которых три по специальности 2.2.8. и пять по смежным тематикам, 14 работ в сборниках докладов и материалов международных и всероссийских конференций, входящих в базу цитирования РИНЦ. Получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Работа изложена на 136 страницах машинописного текста, содержит 86 рисунков, 3 таблицы, 59 формул и список литературы из 136 источников отечественных и зарубежных авторов и приложения.

Диссертация соответствует паспорту специальности 2.2.8. «Методы и приборы контроля и диагностики материалов, изделий, веществ и природной среды» по пункту 1 «Научное обоснование новых и совершенствование существующих методов, аппаратных средств и технологий контроля, диагностики материалов, изделий, веществ и природной среды, способствующее повышению надёжности изделий и экологической безопасности окружающей

среды» (впервые предложена конструкция преобразовательного элемента в виде объемной полосковой СВЧ-структуры меандровой формы, позволяющая проводить контроль параметров твердых, жидких и сыпучих материалов).

Личный вклад автора заключается в принятии непосредственного участия в разработке математических моделей разрабатываемой измерительной структуры, проведении математического и компьютерного моделирования объемных полосковых СВЧ-структур меандровой формы с целью исследования их преобразовательных свойств, разработке измерительного модуля для средств диэлектрического контроля с применением разработанных преобразовательных элементов; в апробации и опубликовании результатов исследования.

В первой главе данной работы проводится исследование проблемы, связанной с измерением комплексной диэлектрической проницаемости твердых материалов и жидкостей в L и S диапазонах. Оцениваются области применения и виды методов измерений. Исходя из проведенного изыскания выбираются наиболее распространенные методы контроля в упомянутых диапазонах. Анализируя выбранные способы, выделяются их недостатки. Помимо этого, в главе проводится исследование структуры, способной компенсировать недостатки рассмотренных ранее методов измерений. На основе полученной информации, предлагается новый чувствительный элемент, содержащий в себе качества наиболее распространенных методов измерений в интересующем диапазоне частот и компенсируя недостатки прототипа, выбранного ранее. Оцениваются возможные области применения предлагаемой концепции.

Вторая глава посвящена разработке математических моделей элементарных ячеек предлагаемой структуры. Проводится аналогия единичной ячейки с П-секциями связанных линий. Для оценки сенсорных свойств различных видов элементарных ячеек и выявления влияния на них физических параметров, проводится сравнительный анализ с планарными микрополосковыми линиями с диэлектрическим покрытием, а также между рассматриваемыми вариантами структур, тем самым позволяя сформировать

зависимости изменения чувствительности от вариации физических параметров ячейки.

В третьей главе рассматриваются периодические структуры, составленные путем многократного повторения элементарной ячейки, смоделированной ранее в данной работе. Оценивается чувствительность периодической структуры к изменению диэлектрической проницаемости. Проводится сравнение математической и электродинамической моделей. Приводятся результаты компьютерных экспериментов по измерению твердых материалов и жидкостей в программе CST Studio Suite.

Четвертая глава основана на практических результатах. В главе приводится описание технологии изготовления объемных полосковых СВЧ-структур меандровой формы, процессов измерения характеристик структур и экспериментальных исследований по оценке степени обводненности нефти и оценки диэлектрической проницаемости твердых диэлектрических материалов с применением предлагаемых чувствительных элементов. Стоит отметить, что все эксперименты проводись с применением измерительного модуля, собственной разработки, которому также уделен целый раздел четвертой главы.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ КОМПЛЕКСНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ЖИДКОСТЕЙ, ТВЕРДЫХ И СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ В ДЛИННОВОЛНОВОЙ ОБЛАСТИ СВЧ

ДИАПАЗОНА

Исследование диэлектрических характеристик материалов в СВЧ диапазоне начались еще в 1950-х годах. Тогда эти работы помогли сформировать новые методы и приемы измерений. В основном разработанные методы были нацелены на описание диэлектрических свойств материалов [1-5]. В настоящее время бурно развивается область диэлектрического контроля, в основе которого лежит анализ физических, физико-химических характеристик материалов и веществ с целью оценки их качества и диагностики в различных отраслях промышленности. Современные потребности производства требуют точные методы измерения и контроля с максимально быстрым получением результата измерений [6-9, 10, 11, 12]. Чтобы удовлетворить потребности широкого круга прикладных направлений, были разработаны различные методы, которые условно можно разделить на резонансные и нерезонансные [13, 14]. Нерезонансные методы позволяют определять электромагнитные свойства материалов и веществ в широкой или средней полосе частот [15]. Резонансный метод, основанный на применении измерительного СВЧ резонатора, позволяет с более высокой точностью и чувствительностью проводить измерения комплексной диэлектрической проницаемости [16], но анализ проводится на одной частоте. Выбор предпочтительного метода измерения основан на нескольких факторах: частотный диапазон, диэлектрические характеристики,

тип измеряемой среды, форма материала, размер образца и стоимость разработки и изготовления. Среди нерезонансных методов можно выделить волноводный метод [17, 18], прохождения в свободном пространстве [19-21], коаксиальный зонд [22-24] и планарные линии передачи [25, 26]. В резонансных методах размер образца преимущественно ограничивается конструкцией датчика [27]. Метод передачи в свободном пространстве не требует специальной подготовки измеряемых проб, подходит для диагностики материалов с высокими температурами и неоднородной . Однако при помощи данного метода довольно сложно получить точные значения, что обусловлено влиянием на погрешность измерения расположения излучающей и приемной антенн, формы поверхности объекта [28]. Коаксиальный пробник с открытым концом подходит для проведения измерений жидких и сыпучих сред, за исключением гранулированных материалов из-за высокой вероятности возникновения воздушных зазоров или пузырьков воздуха между поверхностью сенсора и образца [7]. Планарная линия передачи является удобной основой для создания простого в изготовлении резонансного или нерезонансного датчика для изучения локальных свойств материала [29].

1.1 Практические приложения методов контроля комплексной диэлектрической проницаемости в длинноволновой области СВЧ

диапазона

При производстве изделий из диэлектрических материалов в промышленных масштабах появляется необходимость контроля параметров и характеристик выпускаемой продукции. Данная задача может быть решена довольно обширной областью радиоволнового контроля, позволяющего получать информацию о комплексной диэлектрической проницаемости или физических свойствах объекта исходя из его диэлектрических характеристик. Для увеличения точности измерения могут применяться более совершенные

преобразовательные элементы и измерительные приборы в сочетании с комплексными способами измерений.

Наиболее важной из всех физических величин, характеризующих взаимодействие вещества с электромагнитным полем, является относительная комплексная диэлектрическая проницаемость ¿г = е!г — ]е". На практике могут быть измерены её вещественная часть , часто называемая просто диэлектрической проницаемостью, и её мнимая часть £", именуемую также фактором потерь. Традиционно вместо фактора потерь процессы преобразования электрической энергии в тепло характеризуют тангенсом угла

диэлектрических потерь 1д8 = ф. В общем случае все указанные параметры

вещества зависят от частоты электромагнитного колебания. На сегодняшний день измерение комплексной диэлектрической проницаемости охватывает широкий частотный диапазон от 10-5 Гц до единиц ТГц.

Контроль за указанными параметрами в длинноволновой области СВЧ диапазона (L и S диапазоны) крайне необходим при производстве и эксплуатации диэлектрических материалов в радиоэлектронике: подложек для интегральных схем СВЧ, обтекателей антенн, диэлектрических линз, конструкционных элементов и многих других. Это обусловлено активным использованием данной области частот в телекоммуникациях, гражданской и специальной радиоэлектронике, медицине, промышленности и научных исследованиях. Стоит также отметить особое значение диэлектрических измерений в длинноволновой области СВЧ в задачах контроля физических и физико-химических характеристик жидкостей, твердых, полутвердых и сыпучих сред. В первую очередь это касается измерения уровня влажности и влагосодержания. В диапазоне порядка 1-2 ГГц уже слабо проявляется влияние проводимости, релаксации кристаллической воды, поляризации Максвелла-Вагнера, поверхностной проводимости, заряженных двойных слоев, характерные для более низкочастотных областей и вносящие существенные погрешности в измерение уровня влажности [30]. Длинноволновая область СВЧ

диапазона находится на стыке областей релаксации связанной воды и свободной воды, что говорит в возможности контроля уровня влажности в широких пределах. Известно, что на частотах 1-4 ГГц распределены области релаксационных частот многих слабо- и среднеполярных жидкостей, что говорит о информативности анализа этих частот при оценке физико-химических характеристик жидких сред, таких как концентрация примесей, окисление, зольность, степень чистоты, вязкость и др.

В работе [31] описываются эксперименты по контролю биохимических параметров различных деревьев через измерение комплексной диэлектрической проницаемости. Данная работа довольно актуальна на сегодняшний день в связи с решением исследовательских задач по оценке влияния глобального потепления. В работе оценивается уровень жидкостей, потребляемых деревьями в различных состояниях и временах года. На рисунке 1.1 приведен процесс подготовки к проведению измерения и непосредственно само измерение.

Рисунок 1.1 - Процесс измерения диэлектрической проницаемости твердого материала

(древесины): а) подготовка места измерения; б) окончательная шлифовка, для минимизации шероховатости поверхности); в) процесс измерения с применением зонда

[31]

Оценка проводилась с применением метода коаксиального зонда в Ь диапазоне частот (от 1 до 2 ГГц). Были исследованы семь пород деревьев: черная

ель, лиственница, красная ель, бальзамическая пихта, красная сосна, осина и черная вишня. Точность измерений диэлектрической проницаемости составила порядка 3,3%. Результаты измерений показали, что в зависимости от состояния дерева комплексная диэлектрическая проницаемость изменяется в широком диапазоне, что говорит о значительных изменениях в биохимических процессах внутри исследованных растений.

В работе [32] приводится пример измерения комплексной диэлектрической проницаемости для различных жидких смесей. Измерения проводились в частотном диапазоне от 2,25 до 2,4 ГГц. На рисунке 1.2 представлен макет устройства для контроля комплексной диэлектрической проницаемости. Датчик представляет собой комплементарный кольцевой разрезной резонатор в микрополосковом исполнении с расположением измерительной ячейки в виде трубчатого капилляра в центре кольца. Измерялась смесь воды и этанола в диапазоне от чистой воды до чистого этанола с шагом разбавления 10 %. Полученные данные показали линейное изменение реальной и комплексной частей комплексной диэлектрической проницаемости с изменением концентрации, доказывая тем самым, перспективность такого рода измерений.

Рисунок 1.2 - Макет сенсорного преобразователя для контроля диэлектрической

проницаемости жидкостей [32]

Примером датчика для контроля гранулированных объектов может быть

разработка, показанная в статье [33]. Авторы предлагают резонансный метод измерения на основе измерительного резонатора в виде отрезка коаксиального волновода с короткозамкнутой отражающей стенкой и коаксиальной отражающей апертурой в качестве второй стенки (рисунок 1.3). Резонансная частота незаполненного резонатора составляла 2,4 ГГц. Датчик был протестирован на измерении влажности овсяных хлопьев, цельных зерен ячменя, пшеницы и овса. Неоспоримым преимуществом СВЧ измерения влажности перед низкочастотными диэлькометрическими и другими существующими методами выступает независимость процесса измерения от плотности сыпучей массы. Это становится возможным в силу существования двух независимых измерений: резонансной частоты и добротности резонансной кривой, позволяющие устранить влияние плотности выбирая в качестве выходной характеристики такую комбинацию этих двух величин, которая не зависит от плотности. Например, такой величиной может выступать их отношение.

а)

б)

Рисунок 1.3 - Коаксиальный резонаторный датчик для контроля влажности пищевых продуктов: а) вид на коаксиальную апертуру, б) внешний вид датчика с

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ишкаев Тимур Маратович, 2022 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Chen LF., Ong CK., Neo CP., W Varadan and VK Varadan Microwave Electrons: Measurement and Materials Characterization. John W4ey & Sons Ltd. -

2004. - P.522.

2. Venkatesh, M.S. An overview of dielectric properties measuring techniques / M.S. Venkatesh, G.S.V Raghavan // Canadian Biosystems Engineering. -

2005. - Vol. 47. - № 7. - P. 15-30.

3. Tereshchenko, O.V. An overview of the techniques for measuring the dielectric properties of materials / O.V. Tereshchenko, F.J.K Boesink, F.B.J Leferink // XXXth URSI General Assembly and Scientific Symposium. - 2011. - 6050287.

4. Jilani, M.T. A brief review of measuring techniques for characterization of dielectric materials / M.T. Jilani, M. Zaka ur Rehman, A.M. Khan et all// ITEE Journal Information Technology & Electrical Engineering. - 2012. - Vol. 1. - № 1. -P. 1-5.

5. Note A. Agilent Basics of Measuring the Dielectric Properties of Materials // AgH. Lit. Number. - 2006. - P.32.

6. Nelson, S.O. Factors influencing the dielectric properties of agricultural and food products / S.O. Nelson, S. Trabelsi // Microwave power and electromagnetic energy. - 2012. - Vol. 46. - № 2. - P. 93-107.

7. Jha, S.N. Measurement techniques and application of electrical properties for nondestructive quality evaluation of foods—a review / S.N. Jha, K. Narsaiah, A.L. Basediya et all // Journal of Food Science and Technology. - 2011. - Vol. 48. - № 4. - P. 387-411.

8. Trabelsi, S. Microwave sensing of quality food products / S. Trabelsi, S.O.

Nelson // IEEE Instrumentation & Measurement Magazine. - 2016. - Vol. 19. - № 1. - P. 36-41.

9. Roelvink, J. Measuring the complex permittivity of thin grain samples by the free-space transmission technique / J. Roelvink, S. Trabelsi // IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference Proceedings. - 2012. -6229644.

10. O. Nelson, S. Dielectric Spectroscopy of Honeydew Melons for Quality Sensing / S. O. Nelson, S. Trabelsi, S. J. Kays // IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference Proceedings. - 2006. - 328365.

11. O. Nelson, S. Dielectric Spectroscopy of Fresh Fruits and Vegetables / S. O. Nelson // Instrumentation and measurement technology. - 2005. - P. 360-364.

12. Trabelsi, S. Microwave sensing of quality attributes of agricultural and food products / S. Trabelsi, S. O. Nelson // IEEE Instrumentation & Measurement Magazine. - 2016. - Vol. 19. - № 1. - P. 36-41.

13. Boybay, M.S. Material characterization using complementary split-ring resonators / M.S. Boybay, O.M. Ramahl // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. - 2012. - Vol. 61. - № 11. - P. 3039-3046.

14. Rammah, A.A. Comparative study of materials characterization using microwave resonators / A.A. Rammah, Z. Zakaria, E. Ruslan et all // Australian Journal of Basic and Applied Sciences. - 2015. - Vol. 9. - № 1. - P. 76-65.

15. Narayanan, P.M. Microstrip transmission line method for broadband permittivity measurement of dielectric substrates / P.M. Narayanan // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 2014. - Vol. 62. - № 11. - P. 2784-2790.

16. Jha, A.K. A generalized rectangular cavity approach for determination of complex permittivity of materials / A.K. Jha, M.J. Akhtar // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. - 2014. - Vol. 63, - № 11. - P. 2632-2641.

17. Abou-Khousa, M. Disbond thickness evaluation employing multiple-frequency near-field microwave measurements / M. Abou-Khousa, R. Zoughi // IEEE

Transactions on Instrumentation and Measurement. - 2007. - Vol. 56. - № 4. - P. 1107-1113.

18. Ghasr, M.T. Multimodal solution for a waveguide radiating into multilayered structures-dielectric property and thickness evaluation / M.T. Ghasr, D. Simms, R. Zoughi // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. - 2009.

- Vol. 58. - № 5. - P. 1505-1513.

19. Tamyis, N. Free space measurement of complex permeability and complex permeability of magnetic materials using open circuit and short circuit method at microwave frequencies / N. Tamyis, A. Ramli, D.K. Ghodgaonkar // Student Conference on Research and Development. - 2002. - 1033141.

20. Koeberte, M. Material characterization of liquid crystals at THz-frequencies using a free space measurement setup / M. Koeberte, T. Gobel, D. Schonherr, R. Jakoby, P. Meissner, H.L. Hartnagel // Microw. Conf. (GeMIC). - 2008.

- P. 1-4.

21. Skocik, P. Measurement of complex permittivity in free space /P. Skocik, P. Neumann // Procedia Engineering. - 2015. - Vol. 100. - P. 100-104.

22. Cenanovic, A. Measurement setup for non-destructive complex permittivity determination of solid materials using two coupled coaxial probes / A. Cenanovic, M. Schramm, L.P. Schmidt // IEEE MTT-S International Microwave Symposium. - 2011. - 5972838.

23. Nelson, S.O. Monitoring coaxial probe contact force for dielectric properties measurements / S.O. Nelson // American Society of Agricultural and Biological Engineers. - 2010. - 29883.

24. Reinecke, T. Permittivity measurements for the quantification of edema in human brain tissue - open-ended coaxial and coplanar probes for fast tissue scanning / T. Reinecke, L. Hagemeier, S. Ahrens et all // IEEE Sensors. - 2014. - 6985090.

25. Lee, C. Thickness and permittivity measurement in multi-layered dielectric structures using complementary split-ring resonators / C. Lee, C. Yang // IEEE Sensors. - 2014. - Vol. 14. - № 3. - P. 695-700.

26. Lee, H. A planar split-ring resonator-based microwave biosensor for labelfree detection of biomolecules / H. Lee, J. Lee, H. Moon et all // Sensors Actuators В: Chemical. - 2012. - Vol. 169. P. 26-31.

27. Foudazi, A. Effect of sample preparation on microwave material characterization by loaded waveguide technique / A. Foudazi, K.M. Donnell // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. - 2016. - Vol. 65. - № 7. - P. 1669-1677.

28. Mustafa, R. Ring resonator with single gap for measurement of dielectric constants of materials // Univ. Gavle. - 2013. - P. 40.

29. Mohd Bahar, A.A. Current developments of material characterization using microwave resonator based sensors: A review / A.A. Mohd Bahar, Z. Zakaha // International Journal of Applied Engineering Research. - 2015. - Vol. 10. - №. 14. -

P. 34416-34419.

30. Paul De Loor, G. The Dielectric Properties of Wet Materials / G. Paul De Loor // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. - 1983. - Vol. GE-21.

- № 3. - P. 364- 369.

31. Mavrovic, A. Dielectric characterization of vegetation at L-band using an open-ended coaxial probe / A. Mavrovic, A. Roy, A. Royer et all // Geoscientific instrumentation methods and data systems. - 2018. - Vol. 7. - № 3. - P. 195-208.

32. Zebiri, C. A metamaterial - based microwave sensor for liquid dielectrics characterization / C. Zebiri, W. Mshwat, J. Kosha et all // Proceedings of the 1st International Multi-Disciplinary Conference Theme: Sustainable Development and Smart Planning, IMDC-SDSP. - 2020. - 2297951.

33. Knöchel, R. Resonant microwave sensors for instantaneous determination of moisture in foodstuffs / R. Knöchel, F. Daschner, W. Taute // Food Control. - 2001.

- 12. - P. 447-458.

34. Белов, Ю.Г. Оперативный контроль параметров диэлектрика ламинированных пластин с использованием автоматизированной измерительной установки / Ю.Г. Белов, В.В. Бирюков, И.А. Егоров // Вестник НГИЭИ. - 2018. -

№ 8 (87). - С. 15-24.

35. Rohde&Schwarz Measurement of dielectric material properties [Электронный ресурс] // Rohde&Schwarz: [сайт]. URL: https://scdn.rohde-schwarz.com/ur/pws/dl_downloads/dl_application/00aps_undefined/RAC-0607-0019_1_5E.pdf (дата обращения 20.06.2022).

36. La Gioia, A. Open-ended coaxial probe technique for dielectric measurement of biological tissues: challenges and common practices / A. La. Gioia, E. Porter, I. Merunka et all // Diagnostics. - 2018. - Vol. 8.- № 2. - 40.

37. Karacolak, T. Dielectric properties of porcine skin tissue and in vivo testing of implantable antennas using pigs as model animals / T. Karacolak, R. Cooper, E.S. Unlu et all // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. - 2012. - Vol. 11. - P.1686-1689.

38. Chen, L.F. Microwave Electronics: Measurement and Materials Characterization / L.F. Chen, C.K. Ong, C.P. Neo, V.V. Varadan, V.K. Varadan. -Chichester: John Wiley & Sons, 2004. - P. 549.

39. Elhawil, A. Thin-film sensing using circular split-ring resonators at mm-wave frequencies / A. Elhawil, J. Stiens, C. De Tandt et all // Applied Physics A. -2011. - Vol. 103. - № 3. - P. 623-626.

40. Saeed, К. Microstrip resonator technique for measuring dielectric permittivity of liquid solvents and for solution sensing / K. Saeed, A.C. Guyette, I.C. Hunter et all // IEEE/MTT-S International Microwave Symposium. - 2007. - P. 11851188.

41. Aydin, K. Investigation of magnetic resonances for different split-ring resonator parameters and designs / K. Aydin, I. Bulu, K. Guven et all // New Journals of Physics. - 2005. - Vol. 7. - P. 168.

42. Baena, J.D. Equivalent-circuit models for split-ring resonators and complementary split-ring resonators coupled to planar transmission lines / J.D. Baena, J. Bonache, F. Martin et all // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 2005. - Vol. 53. - № 4. - P. 1451-1461.

43. Juan, C.G. Concentration Measurement of Microliter - Volume Water -Glucose Solutions Using Q Factor of Microwave Sensors / C.G. Juan, E. Bronchalo, B. Potelon et all // IEEE Transactions on instrumentation and measurement. - 2018. -Vol. 68. - № 7. - P. 2621-2634.

44. Bahar, A.A.M. Dielectric analysis of liquid solvents using microwave resonator sensor for high efficiency measurement / A.A.M. Bahar, Z. Zakaria, S.R. Ab. Rashid et all // Microwave and Optical Technology Letters. - 2017. - Vol. 59. - № 2.

- P. 367-371.

45. Yablonovitch, E. Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics / E. Yablonovitch // Physical Review Letters. - 1987. - Vol. 58. - № 20. - P. 2059-2062.

46. John, S. Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices / S. John // Physical Review Letters. -1987. - Vol. 58. - № 23. P. 24862489.

47. Krauss, T.F. Two-dimensional photonic-bandgap structures operating at near-infrared wavelengths / T.F. Krauss, R.M. De La Rue, S. Brand // Nature. - 1996.

- Vol. 383. - P. 699-702.

48. Meade, R., J. N. Winn, and J. Joannopoulos, Photonic Crystals: Molding the Flow of Light. - 1995. - P. 304.

49. Datta, S. Classical wave propagation in periodic and random media: диссертация ... Ph.D. - Iowa State University, 1994. - P. 132.

50. Smith, D.R. Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity / D.R. Smith, W.J. Padilla, D.C. Vier // Physical Review Letters. - 2000. - Vol. 84. - № 18. - P. 4184-4187.

51. Smith, D.R. Metamaterials and negative refractive index / D.R. Smith, J.B. Pendry, M.C.K. Wiltshire // Science. - 2004. - Vol. 305. - P. 788-792.

52. West, P.R. Searching for better plasmonic materials / P.R. West, S. Ishii, G.V. Naik // Laser & Photonics Reviews. - 2010. - Vol. 4. - № 6. - P. 795-808.

53. Wang, Z. Optical chiral metamaterials: A review of the fundamentals,

fabrication methods and applications / Z. Wang, F. Cheng, T. Winsor et all // Nanotechnology. - 2016. - Vol. 27. - № 41. - 412001.

54. Shalaev, V.M. Optical negative-index metamaterials / V.M. Shalaev // Nature Photonics. - 2007. - Vol. 1. - № 1. - 41.

55. Gralak, B. Anomalous refractive properties of photonic crystals / B. Gralak, S. Enoch, G. Tayeb // Optical Society of America A. - 2000. - Vol. 17. - № 6.

- P.1012-1020.

56. Notomi, M. Negative refraction in photonic crystals / M. Notomi // Optical and Quantum Electronics. - 2002. - Vol. 34. - № 1. - P. 133-143.

57. Sievenpiper, D. Highimpedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band / D. Sievenpiper, L. Zang, R.F.J. Broas et all // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 1999. -Vol. 47. - № 11. - P. 2059-2074.

58. Y. Rahmat-Samii, Electromagnetic Band Gap Structures in Antenna Engineering, Cambridge University Press Cambridge, UK. - 2009.

59. Eleftheriades, G.V., Balmain K.G. Negative-refraction Metamaterials: Fundamental Principles and Applications. изд. - John Wiley & Sons, 2005. - P.435.

60. Verma, R. Effect of forbidden bands of electromagnetic bandgap engineered ground plane on the response of half wave length linear microwave resonator / R. Verma, K. Daya // Journal of Applied Physics. - 2011. - Vol. 109. - № 8. - 084505.

61. Yang, L. A novel compact electromagnetic-bandgap (EBG) structure and its applications for microwave circuits / L. Yang, M. Fan, F. Chen et all // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 2005. - Vol. 53. - № 1. - P. 183-190.

62. Liang, J. Microstrip patch antennas on tunable electromagnetic band-gap substrates / J. Liang, H.Y.D. Yang // IEEE Transactions on Antennas and Propagation.

- 2009. - Vol. 57. - № 6. - P. 1612-1617.

63. Laso, M.A.G. Analysis and design of 1-d photonic bandgap microstrip

structures using a fiber grating model / M.A.G. Laso, M.J. Erro, D. Benito // Microwave and Optical Technology Letters. - 1999. - Vol. 22. - № 4. - P. 223-226.

64. Gonzalo, R. Enhanced patch-antenna performance by suppressing surface waves using photonic-bandgap substrates / R. Gonzalo, P. de Maagt, M. Scrolla // IEEE transactions on Microwave Theory and Techniques. - 1999. - Vol. 47. - № 11. - P. 2131-2138.

65. Brown, E.R., Radiation properties of a planar antenna on a photonic-crystal substrate / E.R. Brown, C.D. Parker, E. Yablonovitch // Journal of the Optical Society of America B. - 1993. - Vol. 10. - № 2. - P. 404-407.

66. Goyal, A.K. Design analysis of Bloch surface wave based sensor for haemoglobin concentration measurement / A.K. Goyal, S. Pal // Applied Nanoscience. - 2020. - Vol. 10. - P. 3639-3647.

67. Wang, R. Bloch surface waves confined in one dimension with a single polymeric nanofiber / R. Wang, H. Xia, D. Zhang, J. Chen, L. Zhu, Y. Wang, E. Yang, T. Zang, X. Wen, G. Zou, P. Wang, H. Ming, R. Badugu, J.R. Lakowicz // Nature Communications. - Vol. 8. - No. 1. - P. 1-10.

68. Bashiri, J. Bloch surface waves engineering in one-dimensional photonic crystals with a chiral cap layer / J. Bashiri, B. Rezaei, J. Barvcstani, C. Zapata-Rodriguez // JOSA B. - 2019. - Vol. 36. - No. 8. - P. 2106-2113.

69. Siddiqui, O. Photonic-crystal substrates for harmonic suppression in multi-band smart devices / O. Siddiqui, R. Atta, M. Amin, H. Abutarboush // Progress in electromagnetic research M. - 2020. - Vol. 97. - P. 35-44.

70. Qian, Y. Simulation and experiment of photonic band-gap structures for microstrip circuits / Y. Qian, V. Radisic, T. Itch // IEEE Proceedings of 1997 Asia-Pacific Microwave Conference. - 1997. - P. 585-588.

71. Mbairi, F. Microwave bandstop filters using novel artificial periodic substrate electromagnetic band gap structures / F. Mbairi, H. Hesselbom // IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies. - 2009. - Vol. 32. - P. 273282.

72. Garsia-Banos, B. Enhancement of sensitivity of microwave planar sensors with EGB structures / B. Garsia-Banos, F. Cuesta-Soto, A. Griol // IEEE Sensors Journal. - 2006. - Vol. 6. - № 6. - P. 1518-1522.

73. Гуляев, Ю.В. Определение параметров тонких полупроводниковых слоев с использованием одномерных СВЧ-фотонных кристаллов / Ю.В. Гуляев, С.А. Никитов, Д.А. Усанов, А.В. Скрипаль, А.Э. Постельга, Д.В. Пономарев // Доклады Академии наук. - 2012. - Т. 443. - № 5. - С. 564.

74. Насыбуллин, А.Р. Коаксиальные брэгговские СВЧ-структуры в сенсорных системах / А.Р. Насыбуллин, Г.А. Морозов, О.Г. Морозов [и др.] // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2014. - Т. 17, № 3.

- С. 65-70.

75. Усанов, Д.А. СВЧ фотонные кристаллы. Новые сферы применения / Д.А. Усанов, М.К. Мерданов, А.В. Скрипаль, Д.В. Пономарев // Известия Саратовского университета. Новая серия Физика. - 2015. - Т. 15. - № 3.

- С. 57-73.

76. Усанов, Д.А. Многопараметровые измерения эпитаксиальных полупроводниковых структур с использованием одномерных сверхвысокочастотных фотонных кристаллов / Д.А. Усанов, С.А. Никитов, А.В. Скрипаль, Д.В. Пономарев, Е.В. Латышева // Радиотехника и электроника. -2016. - Т.61, №1. - С. 45-53.

77. Насыбуллин, А.Р. Преобразовательные элементы на основе полосковых брэгговских структуры для СВЧ датчиков параметров технологических процессов / А.Р. Насыбуллин // Научно-технический вестник Поволжья. - 2016. - № 3 - С. 129-131.

78. Усанов, Д.А. СВЧ фотонные кристаллы с электрически управляемыми характеристиками / С.А. Никитов, А.В. Скрипаль, М.К. Мерданов, С.Г. Евтеев, А.П. Фролов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2017. - Том: 20. - № 3. - С. 43-51.

79. Насыбуллин, А.Р. Средства измерительного контроля

диэлектрических параметров жидкостей на основе периодических СВЧ структур / А. Р. Насыбуллин, Р. В. Фархутдинов, А. Ф. Сиразов // Научно-технический вестник Поволжья. - 2018. - № 12. - С. 159-162.

80. Фархутдинов, Р.В. Брэгговская СВЧ-структура в коаксиальном волноводе как датчик контроля диэлектрических параметров жидких сред / Р. В. Фархутдинов, А. Р. Насыбуллин, О. Г. Морозов [и др.] // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2019. - Т. 22. - № 4-2. - С. 114-120.

81. Nasybullin, A.R. Means for monitoring the dielectric parameters of liquid media based on quasiperiodic Bragg microwave structures in a coaxial waveguide / A. R. Nasybullin, O. G. Morozov, G. A. Morozov [et al.] // Journal of Physics: Conference Series, 2020. - P. 012015.

82. Ишкаев, Т.М. Применение непланарных микрополосковых СВЧ структур для контроля диэлектрических параметров жидкостей и твердых материалов / Т.М. Ишкаев, А.Р. Насыбуллин, Р.В. Фархутдинов, Р.Р. Самигуллин // Южно-Сибирский научный вестник. - 2021. - № 6. - С. 56-61.

83. Усанов Д.А., Никитов С.А., Скрипаль А.В., Пономорев Д.В. СВЧ фотонные кристаллы-новая разновидность периодических структур в радиоэлектронике: учебное пособие. Саратов.: Изд-во Сарат. ун-та, 2016. 84 с.

84. Усанов, Д.А. СВЧ фотонные кристаллы с электрически управляемыми характеристиками / Д.А. Усанов, С.А. Никитов, А.В. Скрипаль, М.К. Мерданов, С.Г. Евтеев, А.П. Фролов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2017. - Т. 20. - № 3. - С. 43-51.

85. Усанов, Д.А. Микрополосковые фотонные кристаллы и их использование для измерения параметров жидкостей / Д.А. Усанов, А.В. Скрипаль, А.В. Абрамов, А.С. Боголюбов, М.Ю. Куликов, Д.В. Пономарев // Журнал технической физики. - 2010. - Т. 80. - №.8. - С. 143-148.

86. Usanov, D.A. Photonic structures and their application for measuring material parameters / D.A. Usanov, A.V. Skripal', A.V. Abramov, A.S. Bogolyubov, M.Yu. Kulikov // Semiconductors. - 2009. - Vol. 43. - № 13. - P. 1677-1681.

87. Sato, Y. Development of a sensor for dielectric constant measurements utilizing time-domain measurement with a vector network analyzer / Y. Sato, N. Ogura, Y. Yamaguchi // Measurement. - 2021. - Vol. 169. - 108530.

88. Гупта, К. Машинное проектирование СВЧ-устройств: Пер. с англ. / К. Гупта, Р. Гардж, Р. Чадха. - М.: Радио и связь, 1987. - 432 с.

89. Неганов, В.А. Устройства СВЧ и антенны. Ч. I: Проектирование, конструктивная реализация, примеры применения устройств СВЧ / В.А. Неганов, Д.С. Клюев, Д.П. Табаков. - М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2013. -608 с.

90. Бахарев, С.И. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств / С.И. Бахарев, В.И. Вольман, Ю.Н. Либ. - М.: Радио и связь, 1982. - 328 с.

91. Gerhard, A.R. Measuring Dielectric Constant of Substrates for Microstrip Applications (Letters) // IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques. -1976. - Vol. 24. - P. 485-487.

92. Murray, O. Stripline dielectric measurements / O. Murray, H.B. James // Conference on Electrical Insulation & Dielectric Phenomena. - 1968. - P. 73-79.

93. Itoh, T. A New Method for Measuring Dielectric Properties of Material Media Using a Microstrip Cavity / T. Itoh, R. Mittra // Microwave Symposium, 1973 IEEE G-MTT International. - 1973. - P. 138-139.

94. Bogner, A. Planar Microstrip Ring Resonators for Microwave-Based Gas Sensing: Design Aspects and Initial Transducers for Humidity and Ammonia Sensing / A. Bogner, C. Steiner, S. Walter, J. Kita, G. Hagen, R. Moos // Sensors. - 2017. -Vol. 17 (2422). - P. 1-14.

95. Saeed, K. Planar Microwave Sensors for Complex Permittivity Characterization of Materials and Their Applications / K. Saeed, M.F. Shafique, M.B. Byrne, I.C. Hunter // Applied Measurement Systems Prof. Zahurul Haq (Ed.). - 2012. - P. 320-350.

96. Mason, A. Co-Planar Microwave Sensor for Biomedical Applications / A.

Mason, A. Shaw, A.A. Al-Shamma'a // Procedia Engineering. - 2012. - Vol. 47. - P. 438-441.

97. Torun, H. An antenna-coupled split-ring resonator for biosensing / H. Torun, F. Cagri Top, G. Dundar, A. D. Yalcinkaya // Journal of Applied Physics. -2014. - Vol. 116, 124701. - P. 1-6.

98. Lee, H-J. DNA sensing using split-ring resonator alone at microwave regime / Hee-Jo Lee, Hyun-Seok Lee, Kyung-Hwa Yoo, Jong-Gwan Yook // J. Appl. Phys. - 2010. - Vol. 108 (014908). - P. 1-6.

99. Reimann C. Planar Microwave Sensor for Theranostic Therapy of Organic Tissue Based on Oval Split Ring Resonators / C. Reimann, M. Puentes, M. Maasch, F. Hibner, B. Bazrafshan, T.J. Vogl, C. Damm, R. Jakoby. // Sensors. - 2016. - Vol. 16, 1450. - P. 1-13.

100. Yamashita, E. Variational Method for the Analysis of Microstrip Line / E. Yamashita, R. Mittra // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. -1968. - Vol. MTT-16, No. 4. - P. 251-256.

101. Chang Y., Chang I.C. Simple Method For The Variational Analysis Of A Generalized N-Dielectric-Layer Transmission Line / Y. Chang, I.C. Chang // Electronic Letters. - 1970. - Vol. 6, N3. - P. 49-50.

102. Bahl, I.J. Analysis of a microstrip covered with a lossy dielectric / I.J. Bahl, S.S. Stuchly // Journal of IEEE Transitions on microwave theory and techniques.

- 1980. - Vol. 28. - № 2. - P. 104-109.

103. Pozar, D.M. Microwave Engineering / D.M. Pozar. - 4th ed. - Hoboken: John Wiley & Sons, 2012. - 732 p.

104. Allen, J.L. Broadside-coupled strips in a layered dielectric medium / J.L. Allen, M.F. Estes // IEEE Transactions on microwave theory and techniques. - 1972.

- Vol. MTT-20. - № 10. - P.662-669.

105. Quirarte, J.L.R. Synthesis of Schiffman phase shifters / J.L.R Quirarte, J.P. Starski // IEEE Transactions on microwave theory and techniques. - 1991. - Vol. 39. - № 11. - P.1885-1889.

106. Horii, Y. Multilayer broadside-coupled dispersive delay structures for analog signal processing / Y. Horii, S. Gupta, B. Nikfal, C. Caloz // IEEE Microwave and wireless components letters. - 2012. - Vol. 22. - №1. - P.1-3.

107. Free, C.E. Improved analysis and design of coupled-line phase shifters / C.E. Free, C.S. Aitchison // IEEE Transactions on microwave theory and techniques.

- 1995. - Vol. 43. -№ 9. - P.2126-2134.

108. Mongia, R. RF and microwave coupled-line circuits / R. Mongia, I. Bahl, P. Bhartia // Artech House. - 1999.

109. Bahl, I.J. Characteristics of Inhomogeneous Broadside-Coupled Striplines / I.J. Bahl, P. Bhartia // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. -1980. - Vol. 28. - № 6. - 529-535.

110. Roblin, C. A static study of multilayered multiconductor transmission lines / C. Roblin, D. Crete // Ann. Telecommun. - 1994. - Vol. 49. - № 3-4. P. 159177.

111. Itoh, T. A general spectral domain analysis for coupled suspended microstrips with tuning septums // T. Itoh, A. Hebert / IEEE Transactions on microwave theory and techniques. - 1978. - Vol. mtt-26. - № 10. - P. 820-826.

112. Chang, Y. Simple method for the variational analysis of a generalized N-dielectric-layer transmission line / Y. Chang, I.C. Chang // Electronics letters. - 1970.

- Vol. 6. - № 3. - P. 49-50.

113. Medina, F. Upper and lower bounds on mode capacitances for a large class of anisotropic multilayered microstrip-like transmission lines / F. Medina, M. Sc., M. Horno // IEEE Proceedings. -1985. - Vol. 132. - P.157-163.

114. Crampage, R. A simple method for determining the green's function for a large class of MIC lines having multilayered dielectric structures / R. Crampage, M. Ahmadpanah, J. Guiraud // IEEE Transactions on microwave theory and techniques. -1978. - Vol. mtt-26. - № 2. - P. 82-87.

115. Свид. RU 2022660733 Российская федерация. Программа для расчета S-параметров непланарной микрополосковой линии змеевидной формы / А.Р.

Насыбуллин, Фархутдинов Р.В., Ишкаев Т.М., Фаттахов Р.Р; заявитель и правообладатель - ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ» - №2022619752 заявл. 27.05.2022.; опуб: 08.06.2022, Реестр программ для ЭВМ. - 1 с.

116. Ишкаев, Т.М. Математическое моделирование непланарных микрополосковых СВЧ структур змеевидной формы / Т.М. Ишкаев, Р.Р. Фаттахов // Материалы VII Молодежной международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Прикладная электродинамика, фотоника и живые системы - 2021» - 2021. - С. 96-97.

117. Ишкаев, Т.М. Непланарные полосковые брэгговские СВЧ-структуры / Т.М. Ишкаев // Материалы VII Молодежной международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Прикладная электродинамика, фотоника и живые системы - 2021» - 2021. - С. 128-130.

118. Насыбуллин, А.Р. Непланарные микрополосковые линии как основа брэгговских СВЧ-структур / А.Р. Насыбуллин, Т.М. Ишкаев, Р.Ф. Шакиров // Сборник статей восьмой Всероссийской научной школы-семинара «Взаимодействие сверхвысокочастотного, терагерцового и оптического излучения с полупроводниковыми микро- и наноструктурами, метаматериалами и биообъектами» - 2021. - С. 97-101.

119. Ишкаев, Т.М. Непланарные полосковые СВЧ-структуры змеевидной формы для диэлектрического контроля материалов и веществ / Т.М. Ишкаев // Материалы VII Молодежной международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Прикладная электродинамика, фотоника и живые системы - 2021» - 2021. - С. 13-17.

120. Ишкаев, Т.М. Применение непланарных микрополосковых линий в сенсорных приложениях / Т.М. Ишкаев, А.Р. Насыбуллин, Р.Ф. Шакиров // Материалы XIX Международной научно-технической конференции «Физика и Технические приложения волновых процессов - 2021». - 2021. - С. 153-154.

121. Ишкаев, Т.М. Компьютерное моделирование непланарной микрополосковой брэгговской структуры / Т.М. Ишкаев, А.Р. Насыбуллин, Р.Ф. Шакиров // Материалы XVIII Международной научно-технической конференции «Физика и Технические приложения волновых процессов - 2020».

- 2020. - С. 168-169.

122. Шакиров, Р.Ф. Моделирование датчика на основе полосковой брэгговской СВЧ структуры для контроля степени полимеризации композитов / Р.Ф. Шакиров, М.Э Вальяров, В.А. Ефимов, А.Р. Насыбуллин, Р.Ф. Фархутдинов, Т.М. Ишкаев // Южно-сибирский научный вестник. - 2022. - №4 (45). - С. 3-8.

123. Насыбуллин, А.Р. Сверхвысокочастотные брэгговские структуры в полуоткрытой коаксиальной линии / А.Р. Насыбуллин, О.Г. Морозов, Р.Ф. Фархутдинов, Т.М. Ишкаев // Вопросы радиоэлектроники. - 2021. - Т. 50. - № 1.

- С. 4-12.

124. Behzadnezhad, B. Dielectric properties of 3D-printed materials for anatomy specific 3D-printed MRI coils / B. Behzadnezhad, B.D. Collick, N. Behdad // Journal of Magnetic Resonance. - 2018. - Vol. 289. - P. 113-121.

125. Badia, J.D. Dielectric spectroscopy of recycled polylactide / J.D. Badia, L. Monreal-Mengual, V.S. de Juano-Arbona // Polymer Degradation and Stability. -2014. - Vol. 107. - P. 21-27.

126. Claudius, D. Dielectric Properties of 3D Printed Polylactic acid / D. Claudius, P. Stippel, S. Krohns // Advances in Materials Science and Engineering. -2017. - Vol. 2017. - 6913835.

127. Microwave Engineers' Handbook. V.2. - Dedham, Massachusetts: Atech House. - 1971. - 448 p.

128. Moitra S. Performance of I-shaped EBG structures over low loss angular bend substrate integrated waveguide (SIW) / S. Moitra, C.K. Ghosh, A.K. Prasad // 2nd International Conference on Electronics, Materials Engineering & Nano-Technology. - 2018. - 8465321.

129. Huang, Y. A substrate integrated waveguide bandpass filter using novel

defected ground structure shape / Y. Huang, Z. Shao, L. Liu // Progress In Electromagnetics Research. - 2013 - Vol. 135. - P. 201-213.

130. Ramesh Garg, Inder Bahl, Maurizio Bozzi // Microstrip Lines and Slolines third edition. - 2013. - 391 p.

131. Farzeneh Taringou. Transitions Substrate integrated waveguide to planar transmission lines and their applications to amplifier integration: диссертация PhD. -University of Victoria. - 2012. - 125 p.

132. Ишкаев, Т.М. Разработка векторного рефлектометра для СВЧ датчиков / Т.М. Ишкаев, А.И. Сулейманов // Материалы VII Молодежной международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Прикладная электродинамика, фотоника и живые системы - 2021».

- 2021. - С. 125-127.

133. Ишкаев, Т.М. Разработка конструкции векторного рефлектометра для СВЧ измерений / Т.М. Ишкаев, Р.Ф. Шакиров, С.В. Смирнов // Материалы Международной молодежной научной конференции «XXV Туполевские чтения (школа молодых ученых)». - 2021. - Т. 4. - С. 141-144.

134. Ишкаев, Т.М. Методы изготовления непланарных микрополосковых структур / Т.М. Ишкаев, Р.Р. Фаттахов // Материалы VII Молодежной международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Прикладная электродинамика, фотоника и живые системы - 2021»

- 2021. - С. 359-360.

135. Ишкаев, Т.М. Изготовление непланарной полосковой структуры при помощи 3D печати / Т.М. Ишкаев, А.Р. Насыбуллин, Р.Ф. Шакиров // Материалы XIX Международной научно-технической конференции «Физика и Технические приложения волновых процессов - 2021». - 2021. - С. 153-154.

136. Ишкаев, Т.М. Диагностика диэлектрических параметров твердых и жидких диэлектриков/ Т.М. Ишкаев, Р.Ф. Шакиров, С.В. Смирнов // Материалы Международной молодежной научной конференции «XXV Туполевские чтения (школа молодых ученых)». - 2021. - Т. 4. - С. 145-148.

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования «Казанский национальный исследовательский технический университет

им. А.Н. Туполева-КАИ»

На правах рукописи

ИШКАЕВ ТИМУР МАРАТОВИЧ

ОБЪЕМНЫЕ ПОЛОСКОВЫЕ СВЧ-СТРУКТУРЫ МЕАНДРОВОЙ ФОРМЫ В КАЧЕСТВЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ УСТРОЙСТВ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ МАТЕРИАЛОВ И

ВЕЩЕСТВ

Специальность 2.2.8. Методы и приборы контроля и диагностики материалов, изделий, веществ и природной среды

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПРИЛОЖЕНИЕ

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Насыбуллин Айдар Ревкатович

Казань — 2022

>фессор

УТВЕРЖДАЮ Проректор по НиИД КНИТУ-КАИ

АКТ

_С А. Михайлов

V Г7

//У» OenjcLe 2022 г.

о внедрении результатов диссертационной работы инженера

НИИ ПРЭФЖС КНИТУ-КАИ

Ишкаева Тимура Маратовича:

Комиссия в составе:

- Надеев А.Ф. - директор ИРЭФ-ЦТ, зав. каф. РТС, профессор, д-р физ.-мат. наук - председатель комиссии;

- Файзуллин P.P. - председатель НТС ИРЭФ-ЦТ, зав. каф. НТвЭ, профессор, д-р техн. наук - зам. председателя комиссии;

- Морозов О. Г. - зав. каф. РФМТ, профессор, д-р техн. наук -член комиссии;

- Нуреев И.И. - директор НИИ ПРЭФЖС, профессор каф. РФМТ, доцент, д-р техн. наук - член комиссии,

составила настоящий акт о том, что в период с 2020 г. по настоящее время в научно-исследовательский процесс ИРЭФ-ЦТ, НИИ ПРЭФЖС и кафедры РФМТ КНИТУ-КАИ внедрены следующие разработки, в которых используются результаты диссертационной работы Ишкаева Т.М.:

лосковых СВЧ-структуры меандровой формы для применения в качестве чувствительных элементов средств измерительного контроля диэлектрических объектов - в рамках НИР, выполняемых НИИ ПРЭФЖС по государственному заданию Минобрнауки РФ на проведение научных исследований в 2020-2022 годах

- математические модели и экспериментальные образцы объемных по-

няемых НИИ ПРЭФЖС по государственному заданию Минобрнауки РФ на проведение научных исследований в 2020-2022 годах (программа «Фократ», Соглашение № 075-03-2020-051 ^11-2020-0020));

- математические модели и экспериментальные образцы объемных полос-ковых СВЧ-структур меандровой формы в качестве чувствительных элементов средств измерительного контроля физико-химических характеристик жидкостей по результатам анализа их диэлектрического отклика в длинноволновом диапазоне СВЧ электромагнитных колебаний - в рамках НИР, выполняемых ИРЭФ-ЦТ, НИИ ПРЭФЖС и кафедры РФМТ КНИТУ-КАИ при финансовой поддержке Минобрнауки РФ по программе "Приоритет 2030".

Комиссия отмечает, что результаты диссертационной работы Ишкаева Т.М. широко использовались и используются при выполнении инициативных научно-исследовательских работ по техническим предложениям ООО «Макс Моторс».

Председатель комиссии Заместитель председателя комиссии Члены комиссии

Надеев А.Ф. Файзуллин Р.Р.

Морозов О.Г, Нуреев И.И.

УТВЕРЖДАЮ и.о. проректора по ОД КНИТУ-КАИ Е.И. Загребина \

о $

« /■/*'/■-',' <•;/■- 2022 г. 9

Щ:..' 1! %..

АКТ

-г/-*' '

о внедрении результатов диссертационной работы аспиранта КНИТУ-КАИ

Ишкаева Тимура Маратовича

Комиссия в составе:

Надеев А.Ф. - директор ИРЭФ-ЦТ, д.ф.-м.н., - председатель

комиссии;

Сахабутдинов А.Ж. - профессор каф. РФМТ, д.т.н., доцент - член

комиссии,

- Морозов О. Г. - зав. каф. РФМТ, профессор, д.т.н. - член комиссии;

Фархутдинов Р.В. - доцент каф. РФМТ - член комиссии,

составила настоящий акт о том, что в период с 2014 г. по настоящее время в учебный процесс кафедры «Радиофотоники и микроволновых технологий» по направлениям подготовки бакалавров и магистров: 11.03.01 и 11.04.01 -«Радиотехника», внедрены следующие учебно-методические разработки, в которых используются результаты работы Ишкаева Т.М.:

• виртуальный лабораторный практикум по моделированию СВЧ нагрева в объемном резонаторе для дисциплины «Микроволновые технологические комплексы», а также компьютерное моделирование диэлектрического нагрева для дисциплины «Микроволновые технологии в промышленности»;

• лабораторная установка измерения диэлектрических параметров материалов в СВЧ диапазоне методом коаксиального пробника для дисциплины «Микроволновые измерительные системы и сенсоры»;