CC BY
24
РАДЮФ13ИКА
5. I. M. Bassett and A. Argyros, Elimination of polarization degeneracy in round waveguides // Opt. Express. - 2002. -V. 10, N. 23. - p. 1342-1346.
6. G. Ouyang, Y. Xu, and A. Yariv Theoretical study on dispersion compensation in air-core Bragg fibers // Opt. Express. - 2002. - V. 10, N. 17. - p. 899-908.
7. Боголюбов H.H., Митропольский Ю.А. Асимптотические методы в теории нелинейных колебаний. М.: Наука, 1974, 452 c.
8. М. Абрамовиц и И. Стиган "Справочник по Специальным Функциям". М.: Наука, 1979.-830 с.
Надшшла 06.11.2003
Рассмотрено брэгговсое отражение поперечно-электрических волн, распространяющихся в среде с малой радиальной квазипериодической неоднородностью диэлектрической
проницаемости. С использованием комплексной формы метода Крылова-Боголюбова-Митрополъского получены выражения коэффициентов связи распространяющихся волн. Исследованы резонансные свойства для различных угловых индексов.
Bragg reflection of transverse electric wave propagating in medium with small two-dimensional quasi-periodic inhomoge-neity of permittivity is theoretically considered. Using complex form of the asymptotic method of Krylov, Bogoliubov and Mitropolsky, expressions for coupling coefficients of propagating waves are derived. Resonance properties for different angular numbers are investigated.
УДК 621. 372
0.0. Дробахин, E.B. Кондратьев, В.Г. Короткая, Л.А. Филинский
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОТРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН СВЧ-ДИАПАЗОНА (8 - 12 ГГЦ) ОТ ПЕННЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ
Представлены экспериментальные результаты измерения отражения и поглощения электромагнитных волн СВЧ диапазона (8 - 12 ГГц) от размещенных в свободном пространстве образцов пены на основе водных растворов в зависимости от толщины (пределы изменения от 110 до 2 мм) и времени существования пены.
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время фрактальные структуры привлекают значительное внимание исследователей. Одним из примеров фрактальных структур естественного происхождения являются пенные образования, например, губчатые образования [1]. Грубой математической моделью таких образований может служить "дырявый" куб с хаусдорфовой размерностью, принимающей значение в диапазоне от двух до трех. Многие биологические ткани являются по своей природе губчатыми. Использование электромагнитных волн в связи, телевидении, промышленности, медицине приводит к постоянному взаимодействию биологических объектов с электромагнитными волнами, поэтому исследование такого взаимодействия является важным.
Проведение натурных экспериментов представляет собой известную трудность, более очевидным является проведение исследований на моделях. Пенные структуры на основе водных растворов могут быть легко образованы, при этом существует возможность варьировать их параметры в широких пределах. Трудность экспериментального исследования заключается в динамическом характере объекта и малом времени его существования. Исследования отражающих и поглощающих свойств указанных структур на СВЧ носят фундаментальный характер . При этом вследствие динамического поведения
исследуемых образцов применение традиционных волно-водно-резонаторных методов измерений на СВЧ [2] будет приводить к получению некорректных результатов. Для пенных образований принципиальным является проведение измерений в свободном пространстве.
Цель данной статьи - продемонстрировать аппаратурные возможности экспериментального исследования структур указанного класса на основе широкополосных многочастотных рефлектометров реального времени [3] и получить корректные результаты об отражающих и поглощающих свойствах пенных образований.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ
УСТАНОВКИ
Для измерений был использован измерительно-вычислительный комплекс для измерения коэффициента отражения (КО) на многих частотах [3] на базе стандартного измерителя коэффициента стоячей волны (КСВ) Р2-61 (рис.1). Измерения были проведены в полосе частот от 8 до 12 ГГц. В измерительную установку входят: генератор качающейся частоты (ГКЧ) типа Р2-61, выход которого через СВЧ коаксиальный кабель и коаксиально-волноводный переход соединен со входом рефлектометра, который состоит из двух направленных волноводных детекторов, включенных для измерения "на отражение", индикатор Я2Р-67, ПЭВМ с интерфейсным блоком, цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) и аналого-цифровым преобразователем (АЦП) для управления и ввода в ПЭВМ результатов измерений. Особенностью использования указанного индикатора является осуществление синхронного детектирования, что позволяет существенно повысить отно-
20
ISSN 1607-3274 "Радюелектронжа. 1нформатика. Управлшня" № 2, 2003
О.О. Дробахин, Е.В. Кондратьев, В.Г. Короткая, Л.А. Филинский: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОТРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН СВЧ-ДИАПАЗОНА (8 - 12 ГГЦ) ОТ
шение сигнал/шум. Излучение СВЧ сигнала и прием
отраженной волны производится рупорной антенной
2
длиной 300 мм и размерами апертуры 80x80мм . Для устранения необходимости переключения диапазонов измерения при изменении уровней отраженного сигнала был установлен логарифмический масштаб измерений. При этом, естественно, режиму "короткого замыкания" соответствовало значение 0 дБ, а режиму отражения от согласованной нагрузки - значение -35 дБ. ПЭВМ при помощи ЦАП устанавливает частоту в генераторе. Антенна служит для облучения исследуемой структуры и приема отраженного сигнала. Сигналы падающей и отраженной волны выделяются рефлектометрической схемой и с детекторов поступают на индикатор, где вычисляется их отношение, т. е. внесенный коэффициент отражения.
Напряжение, пропорциональное логарифму модуля КО, преобразуется АЦП и поступает в ПЭВМ. Такие измерения проводились в выбранном диапазоне частот. Для измерения использовалась специально разработанная программа. Измерения характеристик отражения проводились в диапазоне 8-12 ГГц в режиме свипирова-ния с периодом 0,08 с и накоплением результатов, таким образом, измерение занимало порядка одной секунды.
1 - генератор качающейся частоты (ГКЧ); 2 - СВЧ кабель; 3, 4 -направленные ответвители; 5 - антенна; 6 - образец; 7 - подложка; 8 -индикатор; 9 - ПЭВМ; 10 - интерфейсный блок; 11 - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП); 12 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
Рисунок 1 - Структурная схема измерительной установки
Пенные образцы готовились в виде плоских структур необходимой толщины в пенопластовом лотке размером
270x290x110мм3 , на дне которого размещался металлический лист. Для проведения калибровки металлический лист также помещали на уровне верхней границы пенного образца. Для получения пенных образцов пользовались дисперсионным способом, суть которого состоит в том, что при прохождении струи воздуха через пеногенератор с сеткой, орошаемой пенообразующей жидкостью, на его выходе образуется пена. Кратность пены - величина, представляющая собой отношение объема пены к объему жидкости, из которой она приготовлена - зависит от установленных значений расхода газа и жидкости. Использовалась кратность в диапазоне 28 - 55, средняя дисперсность 0,11 мм. Образцы пенных структур готовились из 6 % водного раствора пенообразователя ПО-02-П при комнатной температуре.
Данные измерений формируются в виде массива на дискретной сетке частот, при этом может быть проведено изменение шага частотной сетки. Анализ данных проводится во временной области после дискретного преобразования Фурье. Сохранение фазовой информации осуществляется за счет использования принципа Фурье-голографии. Рупор формирует два опорных сигнала за счет отражений в горловине и апертуре рупора [4]. Это приводит к формированию двух фрагментов временного сигнала, соответствующих взаимокорреляции временного сигнала отражения от объекта и опорных сигналов. Эти фрагменты по структуре совпадают с истинным временным сигналом отражения от структуры. Перенормировка оси абсцисс позволяет получить пространственное распределение неоднородностей структуры в зависимости от продольной координаты. Именно такая зависимость и наблюдается на мониторе ПЭВМ. Наличие металлического листа на дне пенопластового лотка позволяет оценить поглощение в структуре по уровню уменьшения амплитуды пика, соответствующего отражению от металлического листа посредством сравнения случаев отсутствия и наличия пенных образцов.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ
Толщина пенных образцов менялась в диапазоне от 11 см до 2 мм. Образец толщиной в 2 мм соответствует монослою (слой толщиной в один пузырек, диаметр пенного пузырька 1-2 мм) пены на водной поверхности, которая образуется в результате разрушения пены. Время наблюдения образца пены превышало 30 мин.
В таблицах 1 и 2 приведен ряд экспериментальных данных для случая анализа фрагментов синтезированного временного сигнала, соответствующих взаимокорреляции временного отклика исследуемой структуры и опорных сигналов, образованных отражениями от неодноро-дностей в апертуре и горловине рупора, соответственно.
РАД1ОФ1ЗИКА
Таблица 1 - Экспериментальные данные, полученные в результате анализа взаимокорреляции временного отклика исследуемой структуры и опорного сигнала, образованного отражением от неоднородности в апертуре
Условия существования объекта Геометрическая толщина образца,мм Амплитуда пика отражения передней границы образца Амплитуда пика отражения задней границы образца Ослабление сигнала в слое, разы
1 =1 мин 110 0,0004 0,0007 11,43
1 =6мин 90 0,0004 0,00108 7,41
1 =11мин 70 0,0004 0,00125 6,40
1 =26мин 50 0,0033 0,00115 6,96
1> 30мин 10 - 0,00175 4,57
монослой 2 - 0,0034 2,35
Таблица 2 - Экспериментальные данные, полученные в результате анализа взаимокорреляции временного отклика исследуемой структуры и опорного сигнала, образованного отражением от неоднородности в горловине рупора
Условия существования объекта Геометрическая толщина образца,мм КО от передней границы образца Амплитуда пика отражения задней границы образца Ослабление амплитуды в слое, (раз)
1 =1 мин 110 0,00011 0,00055 10,91
1 =6мин 90 0,00037 0,0008 7,50
1 =11мин 70 0,00049 0,00088 6,81
1 =26мин 50 0,00047 0,0008 7,50
1> 30мин 10 - 0,00105 5,71
монослой 2 - 0,0034 1,76
Для образца толщиной 11 см внесенный коэффициент отражения от передней грани принимает значение 0,0004 (Таблица 1). Учитывая, что значение внесенного коэффициента отражения от металлического листа, расположенного в плоскости передней грани образца, составляет 0,01 - получим, что, передняя граница пенной структуры имеет собственный коэффициент отражения 0,04 (-28 дБ). Это соответствует отражению от границы воздух-материал со значением диэлектрической проницаемости 1,17. Амплитуда пика, соответствующая отражению от металлической подложки при наличии пены, имеет значение 0,0007, т. е. слой толщиной 11 см приводит к ослаблению амплитуды электромагнитной волны в 11,5 раз с учетом прохождения в обе стороны.
При анализе взаимокорреляционной функции сигналов отражения структуры и неоднородности в горловине рупора (Таблица 2) собственный КО передней границы раздела пенной структуры составил 0,014 (-37 дБ). Это соответствует значению диэлектрической проницаемости 1,03, если предполагать, что структура представляет собой один слой с указанными значениями эффективной диэлектрической проницаемости и коэффициента отражения Френеля. Значение эффективной диэлектрической проницаемости, которое получено из отношения значений электрической и геометрической толщины, пра-
ктически совпадает с этим значением. Значение внесенного коэффициента отражения от металлического листа, расположенного в плоскости передней грани образца, составило 0,007.
Для монослоя пены на водяной поверхности (Таблицы 1,2) амплитуда пика составила 0,0034. Это примерно в 2-3 раза меньше чем отражение от металлической пластины, размещенной на задней границе образца. Таким образом, один монослой пены ослабляет отражение от металлической пластины в 2-3 раза.
Наиболее вероятным значением диэлектрической проницаемости указанных пенных образцов можно считать 1,17-1,21, что довольно близко к значениям, присущим пенопластам. Такой результат представляет интерес, поскольку слой воды имеет отражающие свойства, сравнимые с отражающими свойствами металла, а значение диэлектрической проницаемости составляет порядка 80.
Результаты, полученные при анализе обоих видов взаимокорреляционной функции, находятся в хорошем соответствии с учетом малых уровней отражения.
ВЫВОДЫ
Разработанное измерительное оборудование позволило провести корректные измерения дисперсных пенных
22
1607-3274 "Радюелектронжа. 1нформатика. Управлшня" № 2, 2003
Л.М. Карпуков, В.О. Рыбин: КВАЗИДИНАМИЧЕСКАЯ АППРОКСИМАЦИЯ ВХОДНОГО ИМПЕДАНСА МИКРОПОЛОСКОВОЙ ЛИНИИ
структур, получить оценки эффективной диэлектрической проницаемости, коэффициента ослабления электромагнитных волн в зависимости от толщины слоя пены и времени ее существования.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. Черногор Л.Ф. Естествознание. - Харьков: ХНУ, 2000. -415 с.
2. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматлит, 1963. - 402 с.
3. Дробахин 0.0., Кондратьев Е.В. Измерительно-вычислительный комплекс радиоволнового неразрушающего контроля изделий из диэлектриков: аппаратное и программное обеспечение // Дефектоскопия. - 2003. -№ 2. - С. 52-59.
4. Drobakhin O.O., Karlov V. A. Holographic Approach to Microwave Measurements // Proc. of the 16th URSI Int. Symp. on Electromagnetic Theory. - Vol. 1. - Thessaloniki (Greece). - 1998. - P.109-111.
Надшшла 26.09.2003 Шсля доробки 16.10.2003
Наведено експериментальш результати вимгрювання вгдбиття i поглинання електромагттних хвиль НВЧ д1апазону (8 - 12 ГГц) вiд розташованих у вiльному просто-рi зразтв тни на базi водяних розчитв в залежностi вiд товщит (границ вiд 110 до 2 мм) часу iснування тни.
Experimental results of measurements of electromagnetic wave reflection and absorption for some specimens of water foam in free space for frequency band 8 - 12 GHz as function of specimen thickness in range 2 -110 mm and time of foam existence are presented.
УДК 621.372.8.01
A.M. Карпуков, В.О. Рыбин
КВАЗИДИНАМИЧЕСКАЯ АППРОКСИМАЦИЯ ВХОДНОГО ИМПЕДАНСА
МИКРОПОЛОСКОВОЙ ЛИНИИ
Предложены простые соотношения для расчета дисперсионных зависимостей входного импеданса микрополосковой линии. Для анализа линии использовано интегральное уравнение, составленное с помощью функции Грина, определенной в квазидинамическом приближении.
Задача согласования входных импедансов функциональных элементов является одной из основных при проектировании микрополосковых устройств СВЧ и требует для своего решения данных о волновых сопротивлениях сочленяемых микрополосковых линий передачи. Традиционно волновое сопротивление вычисляется в процессе решения двумерной краевой задачи по нахождению постоянной распространения волны в исследуемой линии. Гибридный характер волны, распространяющейся в микрополосковой линии (МПЛ), делает невозможным однозначное определение ее волнового сопротивления. Поэтому в случае двумерного анализа МПЛ для оценки ее волнового сопротивления одновременно используются в расчетах два определения [1-4]. Одно из них связывает мощность, передаваемую линией, с током в ней. Второе - эффективную диэлектрическую проницаемость МПЛ и волновое сопротивление этой линии в случае ее воздушного заполнения. На нулевой частоте эти определения дают одинаковые результаты, с ростом частоты данные расчетов расходятся.
Однозначно волновое сопротивление исследуемой линии передачи может быть рассчитано через входной импеданс Zвх линии. Входной импеданс вычисляется путем решения трехмерной краевой задачи, описывающей возбуждение исследуемой линии бесконечной длины сторонним электрическим полем. В [5,6] выполнен численный расчет входного импеданса МПЛ. Целью
настоящей работы является нахождение простых аналитических зависимостей для оценки входного импеданса МПЛ. Решение поставленной задачи осуществляется вариационным методом, примененным к интегральному уравнению с ядром в виде функции Грина, которая составляется в квазидинамическом приближении.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И МЕТОД РЕШЕНИЯ
На рис.1 показано поперечное сечение исследуемой МПЛ на подложке с толщиной Ь и относительной диэлектрической проницаемостью ег .
z '
-w/2 w/2
h, Er
х ^ о У
Рисунок 1 - Поперечное сечение МПЛ
Будем считать, что поверхностный ток на полоске, шириной имеет только продольную составляющую и определяется выражением
'x = JmP{y) f(x) >
(1)
где Im - амплитудное значение тока.
