ГОСТ 8.015-72 - Государственная система обеспечения единства измерений. Методика выполнения измерений относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь твердых диэлектриков из тонколистовых материалов в диапазоне частот от 9 до 10 ГГ

ГОСТ 8.015-72

Группа Т86

Дата введения 1973-07-01

     РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Всесоюзным научно-исследовательским институтом физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ)

     Директор Валитов Р.А.

     Руководитель темы Зальцман Е.Б.

     Исполнитель Пояркова В.Е.

     ПОДГОТОВЛЕН К УТВЕРЖДЕНИЮ Отделом радиоэлектроники и связи Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР

     Начальник отдела Ремизов Б.А.

Ст. инженер Манохин И.В.

     Всесоюзным научно-исследовательским институтом Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР (ВНИИГК)

Зам. директора Кипаренко В.И.

     Руководитель лаборатории Булатов С.Б.

Ст. научный сотрудник Сафаров Г.А.

     УТВЕРЖДЕН Государственным комитетом стандартов Совета Министров СССР 12 мая 1972 г. (протокол N 60)

     Председатель отраслевой научно-технической комиссии зам. председателя Госстандарта СССР Никифоренко А.М.

     Члены комиссии: Сыч А.М., Алмазов И.А., Плис Г.С., Потемкин Л.В., Ремизов Б.А., Романов А.Д., Самойлов В.А., Суворов М.Н., Халап И.А.

     ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР от 28 июня 1972 г. N 1308


     Настоящий стандарт распространяется на тонколистовые твердые диэлектрические материалы толщиной от 0,5 до 2,5 мм с относительной диэлектрической проницаемостью от 1,1 до 20 и тангенсом угла диэлектрических потерь от 0,0001 до 0,01 и устанавливает резонансный метод определения и этих материалов в диапазоне частот от 9 до 10 ГГц.

1. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

1.1. Измерение относительной диэлектрической проницаемости производят методом, основанным на нахождении разности резонансных длин объемного круглого цилиндрического резонатора с электромагнитными колебаниями типа до и после помещения в резонатор образца диэлектрика в режиме холостого хода при неизменной за время измерения частоте колебаний, где - число полуволн, укладывающихся по длине резонатора. Предпочтительный ряд - 2, 3, 4, 5.

1.2. Измерение тангенса угла диэлектрических потерь производят методом, основанным на нахождении ослабления интенсивности электромагнитных колебаний на выходе резонатора при помещении в резонатор образца диэлектрика в режиме холостого хода.

2. ОБРАЗЦЫ

2.1. Порядок отбора образцов, количество отобранных образцов и подготовка их к измерениям (сушка, выдержка и т.д.) должны быть оговорены в нормативно-технической документации на испытуемые диэлектрические материалы.

2.2. Образец диэлектрика не должен иметь видимых трещин, сколов, вмятин и загрязнений. Образец по внешнему виду и цвету должен быть однородным.

2.3. Образец должен иметь форму диска, неперпендикулярность поверхности относительно поверхности должна быть не более 0,1 мм (черт.1).

ГОСТ 8.015-72 ГСИ. Методика выполнения измерений относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь твердых диэлектриков из тонколистовых материалов в диапазоне частот от 9 до 10 ГГц

Черт.1

Непараллельность и неплоскостность поверхностей и - не более указанной в табл.1.

Таблица 1

Толщина образца, мм	Неплоскостность и непараллельность, мм
	для от 1,1 до 10	для от 10 до 20
От 0,5 до 1,0	±0,02	±0,01
1,0 " 2,0	±0,03	±0,02
2,0 " 2,5	±0,04	±0,03

     Примечание. Для измерения можно использовать также и полуволновые образцы диэлектриков, изготовленные в соответствии с разд.2 ГОСТ 12723-67.

2.4. Толщину образца измеряют согласно разд.2 ГОСТ 12723-67.

3. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

3.1. Измерения производят на установке, блок-схема которой показана на черт.2. Основные технические характеристики приборов, входящих в установку, указаны в приложении 1.

1 - стабилизатор напряжения питающей сети; 2 - генератор СВЧ; 3 - ферритовый вентиль или аттенюатор с ослаблением не менее 10 дБ; 4 - градуированный аттенюатор; 5 - измерительный объемный резонатор; 6 - детекторная головка; 7 - индикатор выхода.

Черт.2

     Предпочтительная частота при измерениях составляет 9,365 ГГц.

3.2. Для размещения образца в резонаторе в режиме холостого хода можно использовать кольцевые тонкостенные четвертьволновые подставки из полистирола; неперпендикулярность поверхности относительно поверхности должна быть не более 0,05 мм, несоосность поверхности и поверхности - не более 0,02 мм; непараллельность поверхностей и - не более 0,02 мм (черт.3).

Черт.3

     Высоту кольца для любой из выбранных частот определяют по формуле

мм, (1)

где - длина волны в незаполненном резонаторе, измеряемая по п.4.2, мм.

Для предпочтительной частоты 9,365 ГГц мм.

3.3. Правильность изготовления кольцевой подставки проверяют следующим образом: из диэлектрического материала с малыми потерями (кварцевое оптическое стекло, полистирол) изготовляют в соответствии с требованиями разд.2 ГОСТ 12723-67 два образца четвертьволновой толщины , рассчитываемой по формуле

где - критическая длина волны, мм;

      - радиус резонатора, мм.

     Для частоты 9,365 ГГц значения четвертьволновой толщины приведены в табл.2.

Таблица 2

Материал		, мм
Стекло кварцевое оптическое по ГОСТ 15130-69	От 3,80 до 3,82	4,48
Полистирол по ГОСТ 9440-60	2,53 " 2,55	5,75

     На сложенных вместе двух образцах производят измерение значения по ГОСТ 12723-67. Измеренное таким образом значение должно находиться в пределах, указанных в табл.2. Затем производят измерение значения одного (любого) образца четвертьволновой толщины в соответствии с разделами 5 и 6 настоящего стандарта.

     Если измеренное таким образом значение отличается от значения менее, чем на ±1%, то кольцевая подставка считается пригодной для измерения на выбранной частоте. Если значение отличается от значения более, чем на ±1%, то следует или увеличить значение частоты, если больше , или уменьшить значение частоты (или высоты подставки), если меньше . Эти процедуры повторяют до тех пор, пока разница между и станет менее ±1%.

4. ПОДГОТОВКА К ИЗМЕРЕНИЮ

4.1. Генератор СВЧ настраивают на выбранную частоту и измеряют длину волны в незаполненном резонаторе. Измерения производят в следующем порядке:

а) перемещением поршня резонатора настраивают его в резонанс, регулируют с помощью аттенюатора (черт.2) значение резонансного сигнала так, чтобы оно составляло более половины шкалы индикатора, и по шкале микрометрической головки поршня производят отсчет с погрешностью не более 0,01 мм;

б) перемещают поршень резонатора до получения следующей настройки резонатора в резонанс и производят второй отсчет (черт.4);

в) определяют длину волны как удвоенную разность отсчетов двух соседних резонансов.

1 - поршень резонатора; 2 - кольцевая подставка; 3 - образец диэлектрика; - резонансная длина резонатора без образца диэлектрика; - резонансная длина резонатора с образцом диэлектрика; - длина полуволны в резонаторе; - смещение резонанса; - высота подставки.

Черт.4

     В дальнейшем полученные два значения отсчетов принимают за опорные и по ним подстраивают частоту генератора СВЧ.

     При работе на предпочтительной частоте 9,365 ГГц длина волны составляет 51,19 мм.

4.2. На поршень резонатора помещают кольцевую подставку, настраивают резонатор в резонанс (при максимально возможном числе полуволн в резонаторе) и по шкале микрометрической головки поршня производят отсчет резонансной длины резонатора с кольцевой подставкой с погрешностью не более 0,01 мм.

4.3. При настроенном в резонанс резонаторе с кольцевой подставкой устанавливают с помощью аттенюатора значение резонансного сигнала на шкале индикатора, равное целому числу делений и составляющее более половины длины шкалы, фиксируют это значение и по шкале аттенюатора отсчитывают ослабление с точностью до 0,1 дБ.

5. ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ

5.1. При проведении измерений должны соблюдаться следующие условия:

	Окружающая температура, °С	20±5
	Относительная влажность, %	65±15
	Атмосферное давление, Н/м (мм рт.ст.)	100000±4000 (750±33)

5.2. Измерение диэлектрической проницаемости следует производить в следующем порядке:

а) образец диэлектрика помещают в резонатор на кольцевую подставку, перемещением поршня резонатора настраивают его в резонанс (черт.4) и по шкале микрометрической головки поршня производят отсчет резонансной длины резонатора с точностью до 0,01 мм, производят шесть таких измерений (по три измерения на каждую сторону образца с поворотом образца вокруг оси после каждого измерения примерно на 120°) и вычисляют среднее арифметическое;

б) вычисляют разность резонансных длин

, (3)

где - отсчет резонансной длины резонатора с кольцевой подставкой без образца диэлектрика, мм;

      - отсчет резонансной длины резонатора с образцом диэлектрика в режиме холостого хода (на подставке), мм;

в) расчет производят по формуле (10).

5.3. Измерение тангенса угла диэлектрических потерь следует производить в следующем порядке:

а) при резонаторе, настроенном в резонанс, с образцом диэлектрика на подставке уменьшают ослабление, введенное аттенюатором, до тех пор, пока показание индикатора не станет таким же, как и до помещения образца диэлектрика в резонатор. При работе с прибором Ш2-1 (Е9-6) под показанием индикатора следует понимать сходимость вершин двух изображений резонансной кривой на экране индикаторного блока (черт.5);

б) производят шесть измерений значений ослабления по шкале аттенюатора с точностью до 0,1 дБ;

в) вычисляют вносимое ослабление по формуле

, (4)

где - ослабление, введенное с помощью аттенюатора до помещения образца диэлектрика в резонатор, дБ;

      - ослабление, введенное с помощью аттенюатора после помещения образца диэлектрика в резонатор, дБ;

г) расчет производят по формуле (11а).

1 - экран индикаторного блока; 2 - изображение резонансной кривой.

Черт.5

     Примечания:

1. Если менее 3 дБ, то показания индикатора можно измерять непосредственно при настроенном в резонанс резонаторе без образца и с исследуемым образцом диэлектрика . Аттенюатор при этом может быть исключен из блок-схемы. Расчет производят по формуле (11б).

2. При работе с прибором Ш2-1 (Е9-6) вместо измерения вносимого ослабления можно измерять отношение значений ширины резонансной кривой, выраженных в единицах частоты, до и после помещения образца в резонатор. Аттенюатор может быть исключен из блок-схемы. Расчет производят по формуле (11в).

6. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

6.1. Для определения относительной диэлектрической проницаемости необходимо вычислить значения

      - критическая длина волны, равная , мм;

      - длина волны в свободном пространстве, рассчитываемая по формуле

или, если значение частоты генератора измерено с погрешностью не более 10, по формуле

, (6)

где - скорость света, равная 2,99672·10 мм/с;

- длина волны в диэлектрике, рассчитываемая по формуле

, (7)

где - величина, выраженная в радианах, определяемая из уравнения

. (8)

В этом уравнении - толщина образца диэлектрика, мм;

. (9)

     Значение находят из таблиц функции приложения 4, принимая за аргумент. Значение находят из этих же таблиц, принимая за аргумент .

     Относительная диэлектрическая проницаемость определяется с точностью до трех значащих цифр по формуле

. (10)

     Если измерения производят на предпочтительной частоте 9,365 ГГц и погрешность установки частоты не превышает ±0,003 ГГц, то значение находят по таблице приложения 3, применяя линейное интерполирование. Примеры расчета приведены в приложении 2.

     Относительная погрешность измерения диэлектрической проницаемости в процентах при соблюдении требований настоящего стандарта не должна превышать .

6.2. Тангенс угла диэлектрических потерь с точностью до двух значащих цифр вычисляют по одной из трех формул:

, (11а)

, (11б)

, (11в)

где - коэффициент, определяемый по формуле

, (12)

где

, (13)

, (14)

значение находят как произведение на , найденных из таблиц приложения 4,

, (15)

      - нагруженная добротность резонатора без образца;

      - значение, определяемое с точностью до трех значащих цифр по таблицам десятичных логарифмов или логарифмической линейке;

      - показание индикатора при резонансе без образца, дел. шкалы;

      - показание индикатора при резонансе с образцом, дел. шкалы;

      - ширина резонансной кривой без образца (на половинном уровне по мощности);

      - ширина резонансной кривой с образцом (на половинном уровне по мощности);

      - поправочный множитель, определяемый с точностью до двух значащих цифр по формуле

- отношение электромагнитных потерь в стенках резонатора с образцом диэлектрика к потерям в стенках резонатора без образца, определяемое с точностью до двух значащих цифр по формуле

где - потери в торцовой стенке со стороны кольцевой подставки;

      - потери в противоположной торцовой стенке;

      - потери в боковой стенке резонатора с образцом диэлектрика в режиме холостого хода (на подставке);

      - потери в боковой стенке резонатора без образца диэлектрика;

      - постоянная связи резонатора с внешним трактом.

     Отношения потерь вычисляют с точностью до трех значащих цифр по формулам:

; (19)

; (20)

где ГОСТ 8.015-72 ГСИ. Методика выполнения измерений относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь твердых диэлектриков из тонколистовых материалов в диапазоне частот от 9 до 10 ГГц ; (21)

. (22)

     Если измерения производят на частоте 9,365 ГГц и , то значения , и находят по табл.2-4 приложения 3. Примеры расчета приведены в приложении 2.

     Абсолютная погрешность измерения тангенса угла диэлектрических потерь при соблюдении требований настоящего стандарта не должна превышать .

     Примечания:

1. Радиус резонатора , нагруженная добротность и постоянная связи должны быть указаны в паспорте на резонатор.

2. При вычислении в первом приближении можно принять и равными единице.

3. При измерениях потери на связь можно не учитывать, т.е. при расчетах принимать .

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ОБРАЗЦОВЫЕ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Наименования средств измерений	Технические характеристики, типы приборов
1. Стабилизатор сетевого напряжения	По ГОСТ 14696-69 и ГОСТ 14305-69
2. Генератор СВЧ	Мощность генератора не менее 10 мВт, нестабильность мощности (выхода) за 10 мин не более 10.
	Г4-32А, Г4-56 и генераторный блок от Ш2-1 (Е9-6)
3. Ферритовый вентиль или аттенюатор	КСВН вентиля или аттенюатора - не более 1,1, прямое ослабление вентиля - не более 0,5 дБ, обратное - не менее 20 дБ.
	Э8-24, 3ВВС-100Б, Д5-21
4. Измерительный объемный резонатор	Тип колебаний - , диаметр резонатора - 50 мм, погрешность микровинта - не более ±0,01 мм, невоспроизводимость разъема - не более ±0,01 мм, добротность в зависимости от числа полуволн - не менее указанной в таблице.
		2	3	4	5
		15000	20000	25000	28000
	В незаполненном резонаторе должен отсутствовать вырожденный тип колебания .
	ОР-2М или Р2 от Ш2-1 (Е9-6)
5. Градуированный аттенюатор	Погрешность - не более ±0,1 дБ, КСВН - не более 1,15.
	Д5-33А, Д5-32А (с плавными переходами), Д5-5
6. Детекторная головка	КСВН головки - не более 1,1.
	Э7-6
7. Индикатор	По ГОСТ 1845-59.
	М-1211, М-244, У2-6, М-95 на 10 мкА.
	Индикаторный блок от Ш2-1 (Е9-6)

     Примечание. Допускается применение других средств измерений, метрологические характеристики которых не хуже, чем у средств измерений, приведенных в таблице.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТАНГЕНСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 к ГОСТ 8.015-72
Справочное

     Примеры расчета приведены в табл.1.

     Примеры расчета приведены в табл.2.

     Примеры расчета приведены в табл.3.

     Примеры расчета приведены в табл.4.

     Примеры расчета приведены в табл.5.

Таблица 1

Примеры расчета

ГГц; мм; мм;

Наименование материала					, мм	* (формула 9)	(по таблице приложения 4)
	мм
22ХС	2,00	10,00	51,19	0,1227	12,00	1,4729	0,0667
Полистирол	1,94	5,51	51,19	0,1227	7,45	0,9141	0,8433
Стекло С38-1	1,99	7,81	51,19	0,1227	9,80	1,2025	0,3209

Продолжение

Наименование материала		(формула 8)	(по таблице прил.4)	(формула 7)		(формула 10)	Значения , найденные по табл.1 приложения 3
22ХС	6,000	0,4001	1,1422	11,002	8,463	9,07	9,07
Полистирол	3,840	3,2383	0,5287	23,055	1,927	2,54	2,54
Стекло С38-1	4,925	1,5805	0,7206	17,352	3,401	4,01	4,01

Таблица 2

Примеры расчета

Наименование материала	(формула 15)							(формула 14)		(формула 13)	Значения , найденные по табл.2 приложения 3
22ХС	21,543	76,788	38,394	0,4020	0,4586	0,210	21,810	13,530	1,495	57,4	57,4
Полистирол	4,930	76,788	39,581	3,2383	1,7121	2,931	7,861	1,097	0,432	17,1	17,1
Стекло С38-1	8,704	76,788	38,587	1,5805	1,1389	1,297	10,001	2,579	0,643	24,8	24,9

Таблица 3

Примеры расчета

; мм;

Наименование материала			(формула 16)	Значения , найденные по табл.3 приложения 3
22ХС	0,7814	0,944	0,71	0,71
Полистирол	0,4306	0,500	0,84	0,84
Стекло С38-1	0,6103	0,772	0,77	0,77

Таблица 4

Примеры расчета

Наименование материала	(формула 18)			(формула 22)
22ХС	0,056	1,556	3,071	66,78	2,671	0,156	1,4020
Полистирол	0,500	1,559	3,071	71,27	2,851	0,152	4,2383
Стекло С38-1	0,300	1,559	3,071	68,97	2,759	0,155	2,5805

Продолжение

Наименование материала			(формула 21)		(формула 20)	(формула 19)	(формула 17)	Значения , найденные по табл.4 приложения 3
22ХС	0,944	0,192	0,221	0,779	3,224	4,788	0,73	0,73
Полистирол	0,500	0,180	0,148	0,852	3,787	4,788	0,84	0,84
Стекло С38-1	0,770	0,186	0,200	0,800	3,441	4,788	0,77	0,77

Таблица 5

Примеры расчета

; ;

Наименование материала

,
дБ

(по таблице логарифмов)

(формула 12)

(формула 11а)

Значения , найденные по табл.2-4 приложения 3