Исследование зависимости интенсивности прямопрошедшего СВЧ излучения от угла поворота диэлектрической частицы Текст научной статьи по специальности «Физика»

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2010 Физика Вып. 1 (38)

УДК 537.876.4

Исследование зависимости интенсивности прямопрошедшего СВЧ излучения от угла поворота диэлектрической частицы

И. Л. Вольхин, Н. Н. Коротаев

Пермский государственный университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15

Описана установка и исследованы зависимости интенсивности прямопрошедшего СВЧ излучения от угла поворота частицы для металлических и диэлектрических частиц сферической и кубической форм. Установлено, что для малых частиц с а/Х < 1 интенсивность прямопрошедшего излучения слабо зависит от формы, пространственной ориентации и материала частицы.

При размерах частиц а/Х ~ 4 интенсивность прямопрошедшего излучения зависит от многих параметров: относительного размера частицы а/Х, формы, ориентации частицы в пространстве и диэлектрических свойств материала частиц.

Ключевые слова: СВЧ, диэлектрик, частицы.

1. Введение

Задача исследования распространения излучения в неоднородных (мутных) средах имеет большое научное и прикладное значение, например, при создании современных систем оптической записи и считывания информации. Если мутные среды образованы рассевающими частицами сложной формы, то точный расчет их оптических характеристик затруднен. В работах [1-5] показано, что при хаотической ориентации рассеивающих частиц в пространстве влиянием формы частиц можно пренебречь и заменить их рассеивающими шарами эквивалентного диаметра, для которых математический аппарат хорошо разработан. В связи с повышением плотности записи информации применяют плотноупакованные ансамбли частиц, при этом возникает их частичная упорядоченность и форма частиц может повлиять на оптические характеристики рассеивающих сред. Оптические характеристики ансамбля зависят от оптических свойств отдельных частиц и кооперативных эффектов, возникающих при их плотной упаковке. Согласно современным представлениям для расчета распространения излучения в мутной среде необходимо знать пространственное расположение рассеивающих частиц и, по крайней мере, три независимые оптические характеристики частицы, например: показатель рассеяния, показатель поглощения и индикатрису рассеяния частицы либо

показатель ослабления (действительную и мнимую часть) и вероятность выживания фотона. Большой интерес представляют среды, образованные рассеивающими частицами, размеры которых ё соизмеримы с длиной волны излучения Х. В этом случае в оптическом диапазоне прямые исследования оптических характеристик отдельных рассеивающих частиц затруднены их малыми геометрическими размерами и сложностью регистрации слабого рассеянного излучения на фоне большого падающего излучения. Теоретические расчеты оптических характеристик рассеивающих частиц затруднены и в настоящее время выполняются только для частиц сферической, эллипсоидальной кубической формы [4-6]. При расчетах оптических характеристик мутных сред с произвольным расположением рассеивающих частиц рассеивающие частицы сложной формы обычно заменяют сферическими частицами эквивалентного диаметра. Так, кубические частицы с размером ребра а порядка единиц Х заменяют шарами эквивалентного диаметра ёэ = 1.15 а [3]. Результаты расчетов нуждаются в экспериментальной проверке, которую можно сделать, используя метод физического моделирования [7]. Его частный случай - моделирование оптических явлений в диапазоне волн СВЧ -реализован на кафедре экспериментальной физики ПГУ. При моделировании длина волны излучения и размеры рассеивающих частиц увеличиваются пропорционально на четыре - пять порядков, материал для изготовления модельных частиц имеет

© И. Л. Вольхин, Н. Н. Коротаев, 2010

такие же характеристики (действительная и мнимая части показателя преломления и магнитной проницаемости) на СВЧ, как и материал реальных частиц в оптическом диапазоне. Необходимо также правильно смоделировать граничные условия. В этом случае процессы распространения СВЧ волн в модельной среде будут идентичны процессам распространения света в реальной рассеивающей среде. При моделировании выбран восьмимиллиметровый диапазон СВЧ волн, при этом модельные частицы с размерами от единиц миллиметров до единиц сантиметров позволяют смоделировать частицы с размерами меньше, порядка и больше длины волны излучения. При таких размерах легко изготовить модели нужных размеров и форм, ориентировать их в пространстве и устанавливать датчики СВЧ для измерения рассеянного частицами поля в ближней и дальней зонах. При этом вся установка занимает площадь в несколько квадратных метров и легко помещается в лаборатории.

В настоящем исследовании изучалось влияние пространственной ориентации граней частиц кубической формы на интенсивность излучения, рассеянного частицей вперед по направлению падающей волны (прямопрошедшего излучения) от угла поворота частицы в горизонтальной плоскости ф.

2. Экспериментальная установка

Схема экспериментальной установки показана на рис. 1. Источником СВЧ излучения служит генератор сигналов высокочастотный Г4-156 на диоде Ганна 1, обеспечивающий генерацию плоскопо-ляризованного излучения (волна Н10) в диапазоне длин волн X = 8.0 - 8.6 мм и мощностью порядка 20 мВт, модулированного меандром с частотой 1000 Гц. Промодулированный СВЧ сигнал через ферритовый вентиль 2 подается на вход крестообразного направленного ответвителя 3. Ответвленный сигнал поступает на аттенюатор 4 и далее на гибкий волновод 5. На другом конце ответвителя 3 стоит согласованная нагрузка 6. Прямопрошедший сигнал с выхода направленного ответвителя 3 регулируется подстроечным аттенюатором поглощающего типа 7 и поступает на вход 1 У-циркулятора 8. Выход 3 циркулятора соединяется с согласованной нагрузкой 9. Основной сигнал с выхода 2 У-циркулятора 8 через согласующий Е-Н трансформатор 10 поступает на рупорную СВЧ антенну 11 с раскрывом прямоугольной формы 72 х 34 мм. Линза 12 формирует пучок СВЧ излучения и направляет его на рассеивающую частицу 13.

Рассеянное излучение, пройдя через линзу 14, поступает в приемную антенну 15 с раскрывом

прямоугольной формы 72 х 34 мм. На фланце приемной антенны установлен поглотитель 16, уменьшающий паразитное отражение. Сигнал с выхода антенны 15 через согласующий Е-Н трансформатор 17 поступает в плечо Н двойного волноводного моста 18. Опорный сигнал с выхода диэлектрического волновода 5 подается в плечо 1, в плечо 2 включен поршень 19. Сигнал разбаланса с плеча Е поступает на детекторную секцию 20. Продетектированный сигнал подается на селективный нановольтметр 21, настроенный на частоту модуляции СВЧ излучения 1000 Гц, и регистрируется его выходным вольтметром. Форма выходного сигнала контролируется осциллографом 22. Диод детекторной секции 20 всегда работал на квадратичном участке вольтамперной характеристики, поэтому напряжение и на выходе селективного нановольтметра 21 пропорционально интенсивности рассеянного излучения.

Из теории радиолокации и радиоизмерений известно, что СВЧ луч формируется в дальней зоне, т.е. на расстоянии Я > 2Б2/Х от излучающей антенны, где Б - характерный размер антенны, X - длина волны излучения. При измерении интенсивности излучения, рассеянного частицей, расстояние от частицы до приемника (приемной антенны) должно удовлетворять подобному условию Я > 2ё 2/Х, где ё - размер рассеивающей частицы. Только в дальней зоне картина рассеяния волн частицей окончательно сформируется.

Характерный размер раскрыва антенны (диагональ) Б = 80 мм, длина волны X ~ 8 мм. При этом дальняя зона начинается с расстояния Ятш ~ 160 см. Однако диэлектрическая линза 12 формирует плоскопараллельный пучок СВЧ излучения и дальняя зона начинается раньше. Поэтому расстояние от частицы 13 до излучающей антенны 11 было выбрано Ь = 25 см. Максимальный размер рассеивающей частицы может равняться ширине пучка СВЧ излучения на уровне половинной мощности. На рис. 2 приведено сечение СВЧ пучка на уровне половинной мощности излучения в месте расположения рассеивающей частицы 13 (рис. 1), т.е. на расстоянии 25 см от излучающей антенны 11. Из рис. 2 видно, что горизонтальный размер частиц не должен превышать Ах = 7.0 см, а вертикальный - Ау = 6.2 см. В эксперименте максимальный размер частицы ё ~ 40 мм. При этом дальняя зона излучения рассеянного частицей начинается с Ячаст тт ~ 40 см. Расстояние от частицы 13 до приемной антенны 15 (рис. 1) было выбрано Я = 61 см, что соответствует дальней зоне излучения, рассеянного частицей.

3. Методика проведения

эксперимента и результаты

Эксперименты проводились на длине волны излучения X = 8.42 мм. Передающая и приемная

Рис. 2. Сечение СВЧ пучка на уровне половинной мощности излучения в месте расположения рассеивающей частицы

антенны 11 и 15 ориентируются широкой стороной в горизонтальной плоскости, при этом вектор электрической поляризации Ё направлен вверх (перпендикулярно плоскости рис. 1). Центры излучающей антенны 11, рассеивающей частицы 13 и приемной антенны 15 находятся на одной линии. Рассеивающая частица 13 устанавливается на специальной подставке из пенопласта, прозрачного для СВЧ излучения.

С помощью аттенюатора 7 устанавливается интенсивность СВЧ волны, облучающей рассеивающую частицу 13. Рассеивающая частица извлекается и производится балансировка моста 18 до получения минимального напряжения на селективном вольтметре 21. При полной балансировке моста сигнал шумов, измеренный селективным вольтметром 21, составлял и~ 0.2 мкВ.

Рассеивающая частица 13 помещается обратно и балансировка моста нарушается. Величина сигнала разбаланса пропорциональна интенсивности излучения, рассеянного частицей.

Частица поворачивается вокруг своей оси и измеряется интенсивность прямопрошедшего излучения от угла поворота частицы в горизонтальной плоскости ф.

Материалом для моделирования проводящих частиц был выбран дюралюминий, а материалом для моделирования диэлектрических частиц -смесь парафин-уголь, имеющая в восьмимиллиметровом СВЧ диапазоне магнитную проницаемость /и = 1, показатель преломления п = 1.52. Чистый парафин имеет тангенс угла диэлектрических потерь tg5 ~ 4-10~3 [8], что позволяет моделировать слабопоглощающие частицы. Для изготовления поглощающих частиц в парафин добавлялся уголь (0.5% по весу). При этом показатель преломления смеси практически не изменялся (п=1.54), а тан-

Ф,град

Рис. 3. Зависимость напряжения и от угла поворота частицы: 1 - для дюралюминиевого куба с а ~ 41; 2 - стальной сферы эквивалентного диаметра

Ф, град

Рис. 4. Зависимость напряжения и от угла поворота частицы: 1 - для парафинового куба с а ~ 4Х; 2 - парафиновой сферы эквивалентного диаметра

генс угла диэлектрических потерь увеличился до tg5 ~ 6403 [8]. Из этих материалов было изготовлено три набора кубов с размерами а = 34.2 мм (~ 41); а = 16.5 мм (~ 21) и а = 7.5 мм (~ 0.9 1) и девять шаров эквивалентного диаметра ёэ =40; 20 и 10 мм из стали, чистого парафина и смеси парафин-уголь с содержанием угля 0.5%.

На рис. 3 приведена зависимость и = у(ф) для дюралюминиевого куба с а = 34.2 мм (кривая 1) и стального шара эквивалентного диаметра йэ = 40 мм (кривая 2). Аналогичные результаты получены для дюралюминиевых кубов с а = 16.5 мм и а = 7.5 мм и стальных шаров эквивалентного диаметра. Во всех случаях интенсивность прямопрошедшего излучения в пределах погрешности эксперимента

5% не зависит от угла поворота шара. Для кубов наблюдается осциллирующая зависимость напряжения и от угла поворота частицы ф. Частицы рассеивают больше излучения при ориентации ребром и меньше при ориентации гранью к падающему излучению.

На рис. 4 приведена зависимость и = /(ф) для парафинового куба с а = 34.2 мм (кривая 1) и парафинового шара эквивалентного диаметра йэ = 40 мм (кривая 2). Аналогичные результаты получены для парафиновых кубов с а = 16.5 мм и а = 7.5 мм и парафиновых шаров эквивалентного диаметра и для шести аналогичных парафиновых образцов с добавлением 0.5% угля. Во всех случаях для шаров в пределах погрешности измерений 8% зависи-

мость и = Дф) близка к прямой линии. Для кубов зависимость и = Дф) имеет осциллирующий характер.

При падении СВЧ волны на диэлектрическую частицу падающая волна частично проходит внутри нее, а частично огибает. Прошедшие волны имеют разные амплитуды и фазовый сдвиг. Огибающая и прошедшая волны могут иметь различные амплитуды и сдвиги фаз. Поэтому результат сложения этих волн носит осциллирующий характер (рис.4, кривая 1). Для непрозрачных металлических частиц прошедшая через частицу волна отсутствует и амплитуда осцилляций значительно меньше (рис. 3, кривая 1).

Для оценки влияния пространственной ориентации модельных частиц на интенсивность излучения, рассеянного вперед по направлению падающей волны, использована глубина модуляции М = (итах - ит1П)/ (итах + ит1П), где итах - максимальное напряжение, ит1П - минимальное напряжение на селективном вольтметре 21 (рис. 1), пропорциональные максимальной и минимальной интенсивности осцилляций рассеянного излучения в зависимости и = _Дф).

На рис. 5 приведены зависимости глубины мо-

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5

а/1

Рис. 5. Зависимость коэффициента

модуляции М от относительного размера частиц а/Х для кубических частиц: 1 - из дюралюминия; 2 - парафина; 3 - смеси парафин-уголь

дуляции М от относительного размера частицы а/1 для кубических частиц, изготовленных из дюралюминия (кривая 1), парафина (кривая 2) и смеси парафин-уголь (кривая 3). Из рисунка видно, что для парафиновых частиц с а/1 ~ 4 глубина модуляции М = 92%, что существенно больше по сравнению с М = 15% для дюралюминиевого куба. Введение 0.5% угля в парафин увеличивает поглощение волны внутри частицы и глубина модуляции уменьшается.

При уменьшении размера диэлектрических частиц амплитуда волны, прошедшей сквозь частицу уменьшается, глубина модуляции падает и стре-

мится к глубине модуляции дюралюминиевой частицы.

На рис. 6 приведены зависимости и =/(а/Х) для дюралюминиевых кубов при ф = 0° (частицы рас-

и, мВ

Рис. 6. Зависимость и от а/Х:1 - для дюралюминиевых кубов при ф = 0°; 2 - дюралюминиевых кубов при ф = 45°; 3 - стальных шаров

положены гранью к падающему излучению) - кривая 1, дюралюминиевых кубов при ф = 45° (частицы расположены ребром к падающему излучению) - кривая 2 и стальных шаров - кривая 3. При уменьшении размера частиц кривые сходятся и ориентация граней слабо влияет на интенсивность прямопрошедшего излучения. Для больших частиц (а/1 ~ 4) ориентация граней изменяет интенсивность прямопрошедшего излучения не более чем на 20%. Шар эквивалентного диаметра рассеивает излучение сильнее куба, ориентированного гранью, и слабее куба, ориентированного ребром к излучению. Опыт еще раз подтверждает, что для проводящей частицы с а/1 = 0.9^4 правомерна замена кубической частицы шаром эквивалентного диаметра.

Для малых диэлектрических частиц с а/1 < 2 (рис. 7) ориентация граней слабо влияет на рассеяние излучения частицей и кубическую частицу

и, мВ

а/1

Рис. 7. Зависимость и от а/Х для парафиновых: 1 - кубов при ф = 0°; 2 - кубов при ф = 45°; 3 - шаров

можно заменить сферической частицей эквивалентного диаметра. При больших размерах а/1 ~ 4 ориентация граней может существенно (до 12 раз) изменять интенсивность прямопрошедшего излучения.

Таким образом, для малых частиц а/1 <1 рассеяние излучения вперед по направлению распространения падающего излучения слабо зависит от формы, пространственной ориентации и материала частицы. Это соответствует теоретическим представлениям о рассеянии в Рэлевской области а<<1, в которой размеры, форма и диэлектрические свойства слабо влияют на характеристики рассеяния частицы. Начало перехода к предельному случаю и наблюдается в нашем эксперименте.

При размерах частиц а/1 ~ 4 наблюдаются отличия рассеяния излучения кубом и шаром эквивалентного диаметра. Они состоят в том, что интенсивность прямопрошедшего излучения зависит от многих параметров: относительного размера частицы а/1, формы, ориентации частицы в пространстве и диэлектрических свойств материала частиц. В этом случае замена кубической частицы сферой эквивалентного диаметра должна проводиться с осторожностью. Теоретические расчеты необходимо проверять экспериментально.

Список литературы

1. Хюлст В. Рассеяние света малыми частицами. М.: Изд - во ин. лит., 1961. 536 с.

2. Шифрин К. С. Рассеяние света в мутной среде. М.: Гостехтеориздат, 1951. 288 с.

3. Иванов А. П., Лойко В. А. Оптика фотографического слоя. Минск: Наука и техника, 1983. 304 с.

4. Иванов А. П., Лойко В. А., Дик В. П. Распространение света в плотноупакованных дисперсных средах. Минск: Наука и техника, 1988. 191 с.

5. Джеймс Т. Х. Теория фотографического процесса. Л.: Химия, 1980. 672 с.

6. Mie G. Mie G. Beitrage zur optic truben medien sparell kolloidaler metallosungen // Ann. Der Phis. 1908. Vol. 25, № 4. Р. 377-442.

7. Способ исследования оптических свойств фотографического слоя: А. с. 938304 СССР, МКИ3 G09B25/100 / Шварц В. М., Коротаев Н. Н., Мейкляр П. В., Сересов Г. П., Пирожков Б. И. (СССР). № 2971639. Заявл. 11.08.80. Опубл. 23.06.82. Бюл. № 23.

8. Коротаев Н. Н., Вольхин И. Л. Диэлектрические свойства искусственного диэлектрика парафин-уголь на частоте 37.5 ГГц // Вестн. Перм. ун-та. 2010. Вып. 1. Физика. С. 67-71.

Intensity of directly passed microwave radiations from rotation angle of dielectric particle investigation

I. L. Volkhin, N. N. Korotaev

Perm State University, Bukirev St., 15, 614990, Perm

The experimental devise is described. The dependences of directly passed microwave radiation intensity from particle rotation angle for metal and dielectric particles of spherical and cubic form are investigated. It is established that for small particles a / X < 1 intensity of directly passed radiation slowly depends on form, spaces orientation and particles material. If the particles sizes a / X ~ 4 the intensity of directly passed radiation depends on many parameters: the relative particle size a / X, forms, particle spaces orientations and dielectric properties of particles material.

Keywords: microwave, dielectric, particle.