CC BY
18
Анализ характеристик материалов в диапазоне метровых волн
резонансным методом
Д.А. Веденькин, Р.Р. Хабибуллин, Е.В. Васильев
Казанский национальный исследовательский технический университет
им. А.Н. Туполева-КАИ
Аннотация: В статье рассматривается способ анализа характеристик материалов, с возможностью более точного измерения типовыми измерительными приборами. Рассмотрены смоделированные компьютерные модели тройников, с разным типом распространения волны. Также говорится о конструкции созданных моделей и приведен анализ полученных результатов по исследованию характеристик материалов, с возможностью более точного измерения типовыми измерительными приборами. Ключевые слова: СВЧ, диапазон метровых волн, диапазон сантиметровых волн, волноводный тройник, коаксиальный тройник, резонансный метод.
На данный момент существует множество методов оценки коэффициентов передачи и отражения материалов, таких как разностный метод, трактовый метод и др, каждый из которых имеет свои достоинства, недостатки и присущие ему ограничения. При разработке или модернизации методов стараются избавиться от их очевидных недостатков в измерении технических параметров веществ и устройств, а также сделать метод более доступным в материальном плане.
Цель работы состоит в улучшении методов оценки коэффициентов передачи и отражения материалов для более быстрого и легкого получения информации о материале, параметры которого могут быть критическими при проектировании во многих приложениях радиотехники.
Резонансный метод оценки параметров основан на четвертьволновом короткозамкнутом волноводном шлейфе - Е-тройник, который накрывается сверху измеряемым материалом.
Рис. 1 - Волноводные тройники на линиях передач: а) волноводный Е - тройник, б)
коаксиальный тройник Волноводный Е - тройник (рис. 1а) эквивалентен с последовательным подключением параллельного колебательного контура с комплексным сопротивлением 70=да.[1-4] Из-за бесконечно высокого комплексного сопротивления на этой частоте отсутствует сигнал на выходе устройства. В волноводной же линии размер ответвителя выбирается равным А^/4, для того что бы волна прошла путь равный двум А,в/4 и вернувшись в основной волновод сложилась с основной волной в противофазе, вследствие чего на выходе волновода наблюдается отсутствие сигнала на резонансной частоте в идеальном случае и сильное ослабление сигнала в реальных измерениях. [57]
Коэффициент отражения и передачи волноводного Е - тройника, настроенного на частоту 12 ГГц, путем подбора высоты четвертьволнового шлейфа равным А^/4, представлен на рис. 2а.
Для измерения характеристик материалов на более низких частотах можно использовать тот же резонансный метод, применимо к такой волнонесущей структуре как коаксиальная линия. Коаксиальный тройник (рис. 1б) работает по тем же принципам, что и волноводный тройник.[8-10]
Коэффициенты отражения и передачи коаксиального тройника, настроенного на частоту 0.3 ГГц, путем подбора высоты четвертьволнового шлейфа равным А,в/4, представлен на рис. 2 б.
а) б)
Рис. 2 - Графики Б - параметров: а) на волноводном тройнике, настроенным на резонансную частоту 12 ГГц, б) на коаксиальном тройнике, настроенном на резонансную
частоту 0.3 ГГц
По результатам проведенного моделирования коэффициенты передачи, для ряда материалов толщиной к=1 мм и разной удельной проводимостью, а также отклонение резонансной частоты приведены в табл. 1.
Таблица 1 - Результаты измерений на частоте 12 ГГц и 300 МГц
Удельная Сантиметровый Метровый
проводимость, диапазон волн диапазон волн
См/м 5; ^ дБ Б, ГГц 5; ^ дБ Б, МГц
5-108 -37.1341 12.011 -36.397 64,216
Медь 5.96-107 -37.0340 12.011 -36.372 64,216
Алюминий 3.56-10 -36.9895 12.011 -36.361 64,216
Хром 8-106 -36.7774 12.011 -36.305 64,216
5-105 -35.6579 12.009 -36.007 64,211
5-104 -33.0832 12.003 -35.175 64,2
5-103 -28.0508 11.986 -33.059 64,163
5-102 -20.9776 11.929 -27.295 64,11
По результатам измерений видно, что при уменьшении удельной проводимости металлов коэффициент передачи увеличивается. А сдвиг
резонансной частоты на измерениях, проводимых на метровых длинах волн уменьшается, в отличии измерений на сантиметровых длинах волн, где отклонение резонансной частоты тем больше, чем меньше удельная проводимость материала.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках базовой части Государственного Задания №8.6872.2017/БЧ.
Литература
1. Веденькин Д. А., Седельников Ю.Е. Активные сфокусированные антенные решетки для радиотехнических средств малоразмерных летательных аппаратов. // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. Казань, 2008. Т. 11. № 4. pp. 40-46.
2. Гридинарь, И.М. Электродинамические свойства метаматериалов, созданных упорядоченнми тонкопроволочными токопроводящими частицами. Автореф. дис. к.ф.-м..н. / И. М. Градинарь -Самара, 2012. - 18 с.
3. Веденькин Д. А. Сфокусированные антенны для систем радиосвязи с группой малоразмерных летательных аппаратов. // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. Казань, 2007. Т. 10. № 5. с. 36.
4. Armaut, L. R., Adaptive Control and Optimization of Electromagnetic adiation, Attenuation and Scattering Using Self-Adaptive Material Systems. // IEEE Trans. on Antennas and Propag. 2003. V. 51. № 7. pp.1530 - 1548.
5. Astrakhan M.I., Fersman G.A. Two-Frequency Grid Structure with Resonant Slots. Journal of Communications Technology and Electronics. 1994. № 39. pp. 17 - 28.
6. McSpadden, J.O., Yoo, T., Kai Chang. Theoretical and experimental investigation of a rectenna element for microwave power transmission // IEEE Microwave Theory and Techniques/ - 1992. - Vol.40, № 12. - pp. 2359-2366.
7. Веденькин Д.А., Седельников Ю.Е. Параметры разреженных сфокусированных антенных решеток. // Наука и бизнес: пути развития. Казань, 2013. № 10 (28). с. 56-59.
8. Веденькин Д.А., Седельников Ю.Е., Потапова О.В. Свойства сфокусированных антенн для задач акустической эхолокационной диагностики. // Нелинейный мир. 2014. Т. 12. № 10. с. 64-68.
9. Шурховецкий А.Н. Многоканальная частотно-избирательная система СВЧ диапазона на основе направленных фильтров бегущей волны // Инженерный вестник Дона. 2010. №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2010/292
10. Мирошниченко А.Ю., Царев В.А., Губанов В.А., Акафьева Н.А. Моделирование электродинамических параметров многомодового двухзазорного резонатора для миниатюрных многолучевых приборов клистронного типа // Инженерный вестник Дона. 2013. №3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2013/1902
References
1. Veden'kin D.A., Sedel'nikov Yu.E. Fizika volnovykh protsessov i radiotekhnicheskie sistemy. Kazan', 2008. T. 11. № 4. pp. 40-46.
2. Gridinar', I.M. Elektrodinamicheskiye svoystva metamaterialov, sozdannykh uporyadochennmi tonkoprovolochnymi tokoprovodyashchimi chastitsami [Electrodynamic properties of metamaterials created by ordered fine-gauge conductive particles]. avtoref. dis. k.f.-m.n. I. M. Gradinar.' Samara, 2012. 18 p.
3. Veden'kin D.A. Fizika volnovykh protsessov i radiotekhnicheskie sistemy. Kazan', 2007. T. 10. № 5. p. 36.
4. Armaut, L. R., Adaptive Control and Optimization of Electromagnetic adiation, Attenuation and Scattering Using Self-Adaptive Material Systems. // IEEE Trans. on Antennas and Propag. 2003. V. 51. № 7. pp.1530 - 1548.
5. Astrakhan M.I., Fersman G.A. Two-Frequency Grid Structure with Resonant Slots. Journal of Communications Technology and Electronics. 1994. № 39. pp. 17 - 28.
6. McSpadden, J.O., Yoo, T., Kai Chang. Theoretical and experimental investigation of a rectenna element for microwave power transmission. IEEE Microwave Theory and Techniques. 1992. Vol.40, № 12. pp. 2359-2366.
7. Veden'kin D.A., Sedel'nikov Yu.E. Nauka i biznes: puti razvitiya. Kazan', 2013. № 10 (28). pp. 56-59.
8. Veden'kin D.A., Sedel'nikov Yu.E., Potapova O.V. Nelineynyy mir. 2014. T. 12. № 10. pp. 64-68.
9. Shurkhovetskiy A.N. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2010. №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2010/292.
10. Miroshnichenko A.Yu., Tsarev V.A., Gubanov V.A., Akafeva N.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013. №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2013/1902.
