CC BY
288
УДК 681.3
АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ, ПОГЛОЩАЮЩИХ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
А.В. Любченков
В статье рассматриваются методы измерения электродинамических параметров материалов, поглощающих электромагнитное излучение в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне
Ключевые слова: сверхвысокочастотное электромагнитное излучение, методы измерения, поглощающие материалы
Широкое распространение материалов, поглощающих сверхвысокочастотное (СВЧ) электромагнитное излучение в радиоэлектронной технике, приборостроении и других отраслях промышленности определяет необходимость более глубокого исследования этих материалов, как с позиции эффективного применения, так и с позиции исследования их свойств. Практическое использование существующих, а также разработка новых материалов требует точного контроля электродинамических параметров, ответственных за качество поглощения электромагнитной волны.
Как известно, основными электродинамическими параметрами любого вещества, характеризующими взаимодействие электромагнитной волны с материалами, является диэлектрическая е и магнитная ц проницаемости [1]. Для описания электрических свойств материала используется комплексный вид диэлектрической проницаемости:
е = е' - ie” = е'(1 - itgS)
(1)
где tg5 - тангенс угла электрических потерь.
Для описания магнитных свойств материала используется комплексный вид магнитной проницаемости:
ß = ß'- iM" = M'(1 - itgv)
(2)
где tgv - тангенс угла магнитных потерь.
В высокочастотном электромагнитном поле вследствие скин-эффекта ток протекает только в тонком слое у поверхности проводника, из-за чего для характеристики проводящих веществ наиболее удобным является использование величины поверхностного сопротивления Я, которая выражается формулой:
к = ё?.=Л- (3)
V 2а Аа
где ю - частота электромагнитной волны; а - проводимость материала;
А - толщина скин-слоя.
Измерения электродинамических параметров СВЧ поглощающих материалов косвенные [2]1. Выходные параметры являются сложными функциями целого ряда измеряемых величин: частоты, ком-
Любченков Александр Викторович - ВИПС (филиал) Академии ФСО России, соискатель, тел. 8-919-187-4198
плексных сопротивлений или проводимостей, коэффициентов отражения и преломления и др.
Существующие методы измерения электродинамических параметров СВЧ поглощающих материалов можно классифицировать по нескольким признакам. Одним из таких признаков является частота измерительного сигнала. В соответствии с этих признаком методы измерения подразделяются:
- методы измерения на низких и высоких частотах (для СВЧ-диапазона не применимы);
- методы СВЧ-диапазона и др.
Наиболее распространенной является классификация методов по способу измерения параметров поглощающих материалов [2]:
- квазиоптические методы или методы свободного пространства;
- волноводные методы;
- резонансные методы.
Квазиоптические методы применяются для измерения параметров СВЧ поглощающих материалов преимущественно в СВЧ и КВЧ диапазонах. Сущность методов основана на измерении скорости распространения электромагнитной волны и ее затухания в исследуемом материале. На пути волны перпендикулярно направлению ее распространения располагают плоскопараллельную пластину толщиной d из исследуемого материала. Известно, что скорость распространения волны в материале равна
°/¡—, а фазовая постоянная в = , где
/ л/е Л0
длина волны в свободном пространстве.
Постоянная затухания а волны в материале определяется его углом потерь:
а = — в tg8 = —лГё tgS
Хп —
2'
(4)
Наличие исследуемого материала на пути распространения электромагнитной волны приводит к тому, что ее фаза смещается по отношению к фазе волны, распространяющейся в отсутствии образца на величину:
2nd
~
Ые~ 1)
(5)
Отсюда следует, при измерении этой разности фаз диэлектрическая проницаемость исследуемого материала определяется по формуле:
е = (1+АИ)2
2пй
Если определить отношение амплитуды прошедшей волны к амплитуде падающей на материал волны, то можно найти постоянную затухания а и вычислить tg5.
Таким образом, при определении электродинамических параметров вещества квазиоптическим методом следует измерить затухание и фазу волны, прошедшей через образец материала. Такие исследования могут быть проведены, например, с помощью измерительной установки, схема которой представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема установки для определения электродинамических параметров материалов квазиоптическим методом:
1 - генератор; 2 - передающая антенна; 3 - исследуемый образец материала; 4 - приемная антенна; 5 - амплитудный детектор; 6 - фазовый детектор; 7 - аттенюатор; 8 -фазовращатель.
В этой схеме сигнал от генератора 1 распределяется в два канала. В первом (измерительном) канале электромагнитное излучение проходит сквозь исследуемый образец 3, помещенный между двумя рупорными антеннами 2, 4. Амплитуда волны в этом канале измеряется с помощью детектора 5. Во втором (опорном) канале сигнал проходит через фазовращатель 8. Равенство фаз контролируется с помощью фазового детектора 6. Для выравнивания амплитуды опорного канала с амплитудой измерительного канала во второй канал подключают также переменный аттенюатор. При проведении измерений сначала балансируют установку в отсутствии образца материала, а затем, поместив образец между рупорными антеннами, определяют величину сдвига фазы Аф постоянную затухания а.
Другую группу методов измерения электродинамических параметров материалов составляют волноводные методы. Они широко применяются для измерений в СВЧ диапазоне и, при использовании коаксиальных линий, могут применяться в УВЧ диапазоне. Сущность волноводных методов заключается в том, что отрезок прямоугольного или коаксиального волновода заполняется исследуемым веществом, после чего измеряется скорость и затухание волны, проходящей указанный отрезок [3]. Затем, на основе измеренных данных рассчитывается диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь исследуемого образца по формуле:
е = 1 - (Л /)2 + (Л /Л)2 - (Л /2п)2 а (7) где Л0 - длина волны в свободном пространстве;
ЛВО - длина волны в незаполненном волноводе;
ЛВ - длина волны в волноводе с исследуемым материалом.
По известным значениям диэлектрической проницаемости е и постоянной затухания а тангенс угла потерь определяется по выражению (4).
Таким образом, для определения параметров материалов необходимо экспериментально найти длину волны (скорость) и постоянную затухания волны в волноводе с исследуемым образцом. Схема установки для определения электродинамических параметров материалов волноводным методом представлена на рис. 2. Волноводную измерительную линию с исследуемым образцом подключают к генератору, а другой конец волновода закрывают металлической перегородкой. Длину волны в волноводе измеряют непосредственно по расстоянию между соседними максимумами образующейся стоячей волны, а постоянную затухания определяют по коэффициенту стоячей волны.
Рис. 2. Схема установки для определения электродинамических параметров материалов волноводным методом:
1 - генератор; 2 - вентиль; 3 - аттенюатор; 4 - измерительный высокочастотный диод; 5 - отрезок волновода с исследуемым образцом; 6 - микроамперметр; 7 - согласованная нагрузка.
Волноводные методы могут быть также использованы для измерения параметров ферромагнитных материалов. Для того, чтобы определить магнитную проницаемость материала отдельно от диэлектрической, в волноводе создают режим стоячих волн и образец испытуемого материала помещают в узел электрической составляющей. При этом диэлектрическая проницаемость материала не влияет на результаты измерений, распределения поля в волноводе перед образцом, что позволяет оценить магнитную проницаемость материала ц.
Третью группу методов измерения параметров материалов, поглощающих СВЧ излучение, составляют резонансные методы, основанные на измерении свойств колебательных систем при введении в них образцов исследуемых веществ. Эти методы применяются в широком диапазоне частот - от единиц МГ ц до десятков ГГц. Измеряемыми характеристиками колебательных систем при использовании этого метода являются: резонансная частота юр и добротность колебательной системы О.
Поскольку резонансную частоту и добротность колебательных систем можно измерять с высокой точностью, резонансные методы измерения параметров веществ оказываются наиболее совершенными к настоящему времени.
Методика измерения параметров образца сводится к измерению с помощью куметра емкости образцового конденсатора С2 и без него С1. Искомая диэлектрическая проницаемость определяется как отношение этих двух емкостей [4]:
е = С2/ С (8)
Для нахождения тангенса угла потерь измеряют добротность контура с исследуемым материалом и без него. По результатам измерений рассчитывают tg5 в соответствии с формулой:
tgs = ^ р-----------1
С2 О1
где Собщ - общая емкость контура;
О2 и О1 - добротности контура с исследуемым образцом и без него.
В СВЧ диапазоне в качестве колебательных систем используют коаксиальные объемные резонаторы. Расчет параметров образца осуществляется по формулам [4]:
е = {юр0/юр }
;я = 1 - А. (10)
^ О О0
где юр0, О0, юр, О - резонансные частоты и добротности, соответственно, незаполненного и заполненного исследуемым материалом резонатора. Этот метод удобен для измерения параметров сыпучих тел и жидкостей, однако, когда диэлектрическая проницаемость материала значительно превышает единицу, то при введении его в резонатор резонансная частота и добротность сильно изменяются, что приводит к большим погрешностям при
вычислении tg5. Помимо этого, определенные сложности представляет заполнение без зазора твердым материалом всей полости резонатора. Поэтому при измерении параметров твердых образцов применяют метод, когда заполняется только часть объема резонатора с размещением в нем образца вещества в виде шайбы, плотно прилегающей к стенкам. Расчеты в этом случае значительно усложняются, поскольку требуется решение трансцендентных уравнений относительно е и tg5 с помощью специальных таблиц и графиков.
Подводя итог рассмотрению основных методов измерения диэлектрических параметров СВЧ поглощающих материалов, следует отметить, что они применимы в первую очередь для образцов с относительно небольшой диэлектрической проницаемостью. Для материалов с большими активными потерями, со значительной мнимой частью диэлектрической проницаемости возникают трудности, как в получении экспериментальных данных, так и в вычислениях при обработке, что оставляет актуальным вопрос о разработке новых и совершенствовании существующих методов измерения диэлектрических параметров материалов, поглощающих СВЧ излучение.
Литература
1. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Наука, 1978. 544 с.
2. Ковнеристый Ю.К., Лазарева И.Ю., Раваев А.А. Материалы, поглощающие СВЧ-излучение. М.: Наука, 1982. 168 с.
3. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. М.: Высшая школа, 1970. т. 1. 440 с.
4. Методы и средства измерений электромагнитных характеристик радиоматериалов на ВЧ и СВЧ: Тез. докл. на IV науч.-техн. конференции. Новосибирск, 1979.
Воронежский институт правительственной связи
(филиал) Академии Федеральной службы охраны Российской Федерации
THE ANALYSIS OF METHODS OF MEASUREMENT OF ELECTRODYNAMIC PARAMETRES OF THE MATERIALS ABSORBING THE SUPERHIGH-FREQUENCY RANGE
A.V. Lubchenkov
In the article the methods of measuring the electrodynamic parameters of materials, which absorb electromagnetic radiation in the superhigh-frequency (SHF) range are examined
Key words: superhigh-frequency electromagnetic radiation, measurement methods, absorbing materials
