Acta Univ. Agric. Silvic. Mendelianae Brun. 2008, 56(5), 125-132 | DOI: 10.11118/actaun200856050125

Dielektrické vlastnosti materiálů při mikrovlnných frekvencích

Ivo Křivánek
Ústav techniky a automobilové dopravy, Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, Zemědělská 1, 613 00 Brno, Česká republika

V práci je popsán přehled současného stavu výzkumu měření interakcí elektromagnetických vln s různými druhy materiálů, dále analýza možností měření interakcí vysokofrekvenčních vln (mikrovln) s materiály a vlastní měření interakce elektomagnetického záření s dielektrickými vzorky ve frekvenčním rozsahu X (8.2-12.5) GHz s vyčíslením reálné části relativní permitivity a ztrátového faktoru, dále odhadnutí vysokofrekvenčního ztrátového faktoru na vzorcích.
Komplexní permitivita ε* nejen určuje velikost dielektrických proudů v dielektriku, ale i jejich fázový posuv vzhledem k intenzitě elektrického pole, které proudy vyvolalo. Stejnosměrná elektrická vodivost σ a složky komplexní permitivity ε'a ε" (reálná a imaginární část) charakterizují materiál dielektrika, jeho strukturu, ale jsou i závislé na frekvenci, časovém průběhu a velikosti intenzity elektrického pole (Buffler and Stanford, 1991).
Rozdělí-li se mikrovlnná energie z generátoru na dva stejné vlnovodné kanály, měřící a referenční a vloží-li se do měřícího kanálu sledované dielektrikum, bude fáze elektromagnetické vlny a její amplituda na výstupu z obou kanálů rozdílná. Rozdíl se bude měnit se změnou relativní permitivity εr' a ztrátového faktoru tg δ měřeného dielektrika. Rozdíl se bude také zvětšovat s tloušťkou dielektrika d. Při měření byla použita frekvence generátoru 10.1 GHz.
Je podán přehled dielektrických vlastností elektricky nevodivých materiálů při vysoké frekvenci odpovídající mikrovlnám. Tyto znalosti umožňují navrhnout experimentální metody pro další studování interakcí mikrovln s těmito materiály. Fázová metoda měření byla realizována na jaře roku 2008. Zkoumané vzorky byly vyrobeny o rozměrech 150 mm × 150 mm × 4 mm. Měřením bylo získáno velké množství experimentálních dat těchto dielektrických materiálů.

dielectric permitivity, microwaves, phasemethod, waveguides

Dielectric properties of materials at microwave frequencies

The paper introduces the review of the present state of art in the measurement of the interaction of electromagnetic waves with different kinds of materials. It is analysis of the possibilities of the measurement of the interaction of high frequencies waves (microwaves) with materials and proposal of the experimental method for the studies mentioned above.
The electromagnetic field consists of two components: electric and magnetic field. The influence of these components on materials is different. The influence of the magnetic field is negligible and it has no impact on practical use. The influence of the electric field is strong as the interaction between them results in the creation of electric currents in the material (Křivánek and Buchar, 1993).
Experiments focused on the evaluation of the complex dielectric permitivity of different materials have been performed. The permitivity of solid material is also measurable by phasemethod, when the specimen is a part of transmission sub-circuit. Microwave instrument for complex permittivity measurement works in X frequency band (8.2-12.5) GHz, the frequency 10.1 GHz was used for all the measurement in the laboratory of physics, Mendel University in Brno. The extensive number of experimental data have been obtained for different materials. The length of the square side of the aerial open end was 50 mm and internal dimensions of waveguides were 23 mm × 10 mm. The samples have form of the plate shape with dimensions 150 mm × 150 mm × 4 mm.

Grants and funding:

The research has been supported by project of MSMT - MSM 6215648905.

Received: August 19, 2008; Published: November 3, 2014  Show citation

ACS AIP APA ASA Harvard Chicago IEEE ISO690 MLA NLM Turabian Vancouver
Křivánek, I. (2008). Dielectric properties of materials at microwave frequencies. Acta Universitatis Agriculturae et Silviculturae Mendelianae Brunensis, 56(5), 125-132. doi: 10.11118/actaun200856050125
Share...
Download citation
  • BibTeX (.bib)
  • Bookends (.ris)
  • EasyBib (.ris)
  • EndNote (.enw)
  • EndNote 8 (.xml)
  • ISI WoS (.isi)
  • Medlars (.medlars)
  • Mendeley (.ris)
  • MODS (.xml)
  • Papers (.ris)
  • RefWorks (.txt)
  • RefManager (.ris)
  • RIS (.ris)
  • MS Word (.xml)
  • Zotero (.ris)
    • Open full article

    References

    1. ACKMANN, J. J, SEITZ, M. A., 1984: Methods of complex impedance measurments in biologic tissue. CRC Crit. Rev. Biomed. Eng., 11, p. 281-311. ISSN 0090-6964
    2. BUFFLER, C. R. & STANFORD, M. A., 1991: Effects of dielectric and thermal properties on the microwave heating of foods. Microwave World, 12 (4), p. 15-23. ISSN 0043-9339
    3. COLE, K.S. & COLE, R.H., 1941: Dispersion and absorption in dielectrics. J. Chem Phys., 9, p. 341-351. ISSN 0021-9606 DOI: 10.1063/1.1750906 Go to original source...
    4. DAVIDSON, D. W. & COLE, R. H., 1951: Dielectric relaxation in glycerol, and n- propanol. J. Chem. Phys., 19, p. 1484 -1490. ISSN 0022-3697 DOI: 10.1063/1.1748105 Go to original source...
    5. DEBEYE, P., 1929: Polar molecules. Lancaster, PA, Lancaster Press
    6. DE LOOR, G. P., 1968: Dielectric properties of heterogeneous mixtures containing water. J. Microw. Power, 3, p. 67-73. ISSN 0192-6225 DOI: 10.1080/00222739.1968.11688670 Go to original source...
    7. ENGELDER, D. S. & BUFFLER, C. R., 1991: Measuring dielectric properties of food products at microwave frequencies. Microwave World, 12 (2), p. 6-15. ISSN 0043-9339
    8. HEWLETT-PACKARD, 1992: Basics of mesauring the dielectric properties of materials. Application Note, p. 1217-1221.
    9. JONSCHER, A. K., 1999: Dielectric relaxation in solids. J. Appl. Phys. D, 32, p. 7-70. ISSN 0021-8979 DOI: 10.1088/0022-3727/32/14/201 Go to original source...
    10. KENT, M. & KRESS - ROGERS, E., 1987: The COST 90bis collaborative work on the dielectric properties of foods. In Physical Properties of Foods, 2. COST 90bis Final Seminar Proceedings, eds R. Jowitt, F. Escher, M. Kent, B. McKenna & M. Roques, Elsevier Applied Science, London, p. 171-197.
    11. KRASZEWSKI, A., 1980: Microwave aquametry. J. Microw. Power, 15, p. 209-220. ISSN 0192-6225 DOI: 10.1080/16070658.1980.11689204 Go to original source...
    12. KŘIVÁNEK, I., BUCHAR, J., 1993: Dielektrické vlastnosti sýrů. Acta universitatis agriculture Mendelianae Brunensis, 26, p. 171-186.
    13. MÁCHAL, L., KŘIVÁNEK, I., CHLÁDEK, G., DOLEŽAL, P., 1997: Correlation between the relative permitivity and electric conductivity, and qualitative indicators of bull and boar ejaculates. J. Anim. Feed Sci., 6, p. 13-22. ISSN 1230-1388. DOI: 10.22358/jafs/69501/1997 Go to original source...
    14. MÁCHAL, L., KŘIVÁNEK, I., 2000: Dielektrické vlastnosti ejakulátu a semenné plazmy býků. Acta universitatis agriculture Mendelianae Brunensis, 48, p. 7-13. ISSN 1211-8516.
    15. MASHIMO, S., KUWABARA, S., YAGIHARA, S., HIGASI, K., 1987: Dielectric relaxation time and structure of bound water in biological materials. J. Phys. Chem., 91 (25), p. 6337-6338, ISSN 0021-9606. DOI: 10.1021/j100309a005 Go to original source...
    16. METAXAS, A. C., MEREDITH, R. J., 1983: Industrial Microwave Heating. IEE Power Enginering, Series 4, Peter Peregrinus Ltd. London.
    17. NYFORS, E., VANIKAINEN, P., 1989: Industrial Microwave Sensors. Chapter 2. Artech House, Norwood.
    18. OHGUSHI, T., ISIMARU, K., 2001: Dielectric properties of dehydrated NaA yeolite, analyses and dielectric spectra. J. Phys. Chem., 3, p. 3229-3234. ISSN 0021-9606 Go to original source...
    19. OHLSSON, T., BENGTSSON, N. E., 1975: Dielectric food data for microwave sterilization processing. J. Miicrow. Power,10, p. 93-108. ISSN 0192-6225 Go to original source...
    20. OHLSSON, T. BENGTSSON, N. E, RISMAN, P. O., 1974: The frequency and temperature dependence of dielectric food data as determined by a cavity perturbation technique. J. Microww. Power, 9, p. 129-145. ISSN 0192-6225 Go to original source...
    21. OHLSSON, T. HENRIQUES, M. BENGTSSON, A., 1997: Dielectric properties of model meat emulsions at 900 MHz and 2800 MHz in relation to their composition. J. Food Sci, 39, p. 153-156. ISSN 0022-1147 Go to original source...
    22. RAGHEB, T., GEDDES, L. A., 1991: The polarizacion impedance of common electrode operated at low current density. Ann. Biomed. Eng., 19, p. 151-163, ISSN 0090-6964 DOI: 10.1007/BF02368466 Go to original source...
    23. RISMAN, P. O., BENGTSSON, N. E., 1971: Dielectric properties of food at 3 GHz as determined by a cavity Perturbation technique. I. Measuring technique. J. Microw. Power, 6, p. 101-106. ISSN 0192-6225 DOI: 10.1080/00222739.1971.11688788 Go to original source...
    24. RISMAN, P. O., 1991: Terminology and notation of microwave power and electromagnetic energy. J. Microw. Power Electromagn. Energy, 26, p. 243-250. ISSN 0920-5071 DOI: 10.1080/08327823.1991.11688163 Go to original source...
    25. RISMAN, P. O., OHLSSON, T., WASS, B., 1987: Principles and models of power density distribution in microwave oven loads. J. Microw. Power Electromagn. Energy, 22, p. 193-208. ISSN 0920-5071 DOI: 10.1080/08327823.1987.11688023 Go to original source...
    26. TINGA, W. R, NELSON, S. O., 1973: Dielectric properties of materials for microwave processing - tabulated. J. Microw. Power, 8, p. 23-65. ISSN 0192-6225 DOI: 10.1080/00222739.1973.11689017 Go to original source...
    27. VON HIPPEL, A. R., 1954: Dielect rics and waves. Wiley, New York

    This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License (CC BY NC ND 4.0), which permits non-comercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original publication is properly cited. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.


    Return to the content