Распространение СВЧ излучения через отдельные частицы Текст научной статьи по специальности «Физика»

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2009 Физика Вып. 1 (27)

Распространение СВЧ излучения через отдельные частицы

И. Л. Вольхин, Н. Н. Коротаев, В. Е. Носов, А. С. Кистанов

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

Исследовано распространение СВЧ излучения через одиночные слабопоглощающие диэлектрические частицы кубической формы. Получена зависимость коэффициента направленного пропускания от параметра дифракции. Зависимость имеет вид осциллирующий кривой с тонкой структурой.

1. Введение

Согласно теоретическим положениям рассеяние и поглощение излучения на частице определяется ее формой, размером и диэлектрическими постоянными [1]. Следует уточнить, что важен не абсолютный размер частицы ё, а относительный, выраженный в единицах длины волны излучения X, облучающего частицу. Часто используют безразмерный параметр дифракции р=пё/Х. В большинстве случаев рассеивающие частицы не имеют правильной сферической формы. Часто влиянием формы на характеристики рассеяния пренебрегают и заменяют частицу сложной формы сферической частицей эквивалентного диаметра. Для частиц сферической формы разработаны программы расчета оптических характеристик. Расчеты [1] показывают, что для слабопоглощающих диэлектрических частиц с показателем преломления и=1.5 зависимость фактора ослабления излучения части-

цей от параметра дифракции имеет вид осциллирующей кривой с тонкой структурой. Для сферических частиц зависимость интенсивности прошедшего через частицу излучения 1пр от р также имеет тонкую структуру. Подобные расчеты для диэлектрических частиц сложной формы затруднены. В работе [2] в трехсантиметровом диапазоне длин волн была обнаружена подобная тонкая структура у монодисперсного ансамбля кубических частиц. Однако с отдельной кубической частицей подобные исследования не проводились.

Целью настоящей работы является исследование распространения излучения через отдельные частицы кубической формы при изменении параметра дифракции.

2. Экспериментальная установка

Схема экспериментальной установки показана на рис. 1. Источником СВЧ мощности служит ге-

10 8

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

© И. Л. Вольхин, Н. Н. Коротаев, В. Е. Носов, А. С. Кистанов, 2009

71

72 И. Л. Вольхин, Н. Н. Коротаев, В. Е. Носов, А. С. Кистанов

нератор высокочастотных сигналов 1 (Г4-155) на диоде Ганна, обеспечивающий генерацию плоско-поляризованного излучения с длиной волны X = 8.0 - 8.6 мм и мощностью порядка 20 мВт, модулированного меандром с частотой 1000 Гц. Через ферритовый вентиль 2 излучение поступает в аттенюатор 3 и далее в плечо 1 ферритового У-циркулятора 4. В плечо 3 У-циркулятора включена согласованная нагрузка 5. Из плеча 1 У-циркулятора излучение поступает в плечо 2 и далее через согласующий Е-Н трансформатор 6 в излучающую прямоугольную рупорную антенну 7 с линзой 8. СВЧ мощность, излучаемая антенной 7, улавливается приемной антенной 11 (с линзой 10) и через Е-Н трансформатор 13 поступает на СВЧ детектор 14. Продетектированный сигнал измеряется селективным нановольтметром 15, настроенным на частоту модуляции СВЧ излучения 1000 Гц. Детекторный диод работает на квадратичном участке вольтамперной характеристики. Поэтому напряжение на выходе нановольтметра и пропорционально интенсивности прошедшего излучения 1пр.

Приемная антенна 11 устанавливается соосно с излучающей антенной 7. На фланец приемной антенны укреплена рифленая поглощающая СВЧ излучение пластина 12, уменьшающая паразитное отражение. Между передающей и приемной антеннами 7 и 11 на пенополистирольной подставке, прозрачной для СВЧ излучения, размещается кубическая частица 9.

Из теории радиолокации и радиоизмерений известно, что СВЧ луч формируется в дальней зоне, т. е. на расстоянии Яант от излучающей антенны при Яшт>2В2/Х, где В - характерный размер антенны, X - длина волны излучения. При измерении интенсивности излучения, рассеянного частицей, расстояние от частицы до приемной антенны должно удовлетворять подобному условию Лчаи>2а2/Х, где а - размер рассеивающей частицы. Только в дальней зоне картина рассеяния оконча-

тельно сформируется.

Характерный размер раскрыва антенны 7 (диагональ) В = 80 мм, длина волны X ~ 8 мм, при этом дальняя зона антенны без линзы начинается с расстояния Яант ~ 160 см. Однако диэлектрическая линза 8 формирует плоскопараллельный пучок СВЧ излучения, и дальняя зона начинается раньше. Поэтому расстояние от частицы 9 до раскрыва излучающей антенны 7 было выбрано Ь = 25 см. Максимальный размер рассеивающей частицы а ~ 35 мм, при этом дальняя зона излучения, рассеянного частицей, начинается с Ячаст ~ 30 см. Расстояние от частицы 9 до раскрыва приемной антенны 11 было выбрано Я = 61 см, что соответствует дальней зоне излучения, рассеянного частицей.

3. Методика проведения

эксперимента и результаты

В опытах исследовалось распространение СВЧ излучения 8-миллиметрового диапазона через сла-бопоглощающие диэлектрические частицы кубической формы. Частицы изготовлены из парафина с показателем преломления п = 1.5 и тангенсом угла диэлектрических потерь 1§5 ~ 0.0002 на X ~ 8 мм. Для ступенчатого изменения параметра р использовался набор из 28 кубиков с размером ребра а от 8 до 34.2 мм. Плавное изменение производилось за счет изменения частоты СВЧ генератора от 34.7 до 37.5 ГГц через 0.01 ГГц. Исследуемые кубики устанавливались на пенопластовой подставке, прозрачной для СВЧ излучения, между передающей 7 и приемной 11 антеннами (рис.1). Кубические частицы ориентировались гранью перпендикулярно к направлению СВЧ луча. Для каждого кубика снималась зависимость напряжения и на селективном вольтметре 15 от частоты излучения f. Получено 28 зависимостей и=Д/), одна из которых для куба с размером а = 34.2 мм приведена на рис. 2 (кривая 1). На этом же графике изображена

Рис. 2. Зависимость напряжения на выходе селективного нановольтметра и от частоты/: 1 - для парафинового кубика с а=34.2 мм; 2 -установка без частицы

Распространение СВЧ излучения через отдельные частицы

73

3.5 4.5 5.5 6.5 7.5 8.5 9.5 10.5 11.5 12.5 р

Рис. 3. Зависимость коэффициента направленного пропускания Т от параметра дифракции р для парафиновых кубиков с размерами ребра от 8 до 34.2 мм

зависимость напряжения и0=/(/), измеренная без частицы (линия 2). Рассчитан коэффициент направленного пропускания Т = и/и0.= /пр//0. Найден безразмерный параметр дифракции р=ла/Х, где Х=с// с - скорость электромагнитной волны в воздухе. Построена зависимость Т = /(о). Аналогичные зависимости рассчитаны для всех остальных частиц. Произведена сшивка всех 28 зависимостей и получена объединенная кривая Т = /(о), которая представлена на рис. 3.

Из рис. 3 видно, что зависимость Т = /(о) для кубических частиц имеет вид осциллирующей кривой (жирная кривая) с тонкой структурой. Тонкая структура проявляется в наличии мелкомасштабных осцилляций Т при всех р, а также в рез-

ких всплесках Т при р^ 5.5, 7.8, 8.5, 9.6, 10.5, 11.5.

Таким образом, в зависимости Т = Лр) для кубических частиц присутствует тонкая структура, которая теоретически предсказана для частиц сферической формы [1].

Список литературы

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

2. Вольхин И. Л., Коротаев Н. Н., Федоренко А. А. // Вестн. Перм. ун-та. 1999. Вып. 5. Физика. С. 3.