Установка для исследования дифракции СВЧ волн на плоских и объемных объектах Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2006 Физика Вып. 1

Установка для исследования дифракции СВЧ волн на плоских и объемных объектах

Н. Н. Коротаев, И. Л. Вольхин, А. В. Долгин, Э. Л. Русинов

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

Описана установка, состоящая из СВЧ генератора на диоде Ганна с длиной волны с Х,=9.5 мм, волноводного тракта, излучающей и приемной рупорных антенн и системы регистрации. Установка позволяет изучать дифракцию волн на объектах различной формы и различного материала. Произведена калибровка установки и приведен пример дифракционной картины от металлических шаров различного диаметра.

1. Введение

Задача дифракции плоской электромагнитной линейно-поляризованной волны на изолированной проводящей сфере гомогенной и изотропной структуры была решена Ми [1]. Теоретическое решение задачи о дифракции электромагнитных волн на телах сложной формы и структуры требует много времени и не всегда возможно. Исследование картины дифракции на отдельных телах (частицах) необходимо для расчета прохождения излучения через систему таких частиц - мутную среду. Изучение оптики радиоволн актуально также для решения проблемы распространения радиоволн в геофизике, радиолокации и т.п. Кроме того, перенос результатов из области радиоволн в оптический диапазон позволяет изучать рассеяние света на отдельных частицах различной формы и состава и на ансамблях таких частиц. При размерах частиц порядка длины волны экспериментальное изучение дифракции света на отдельных частицах вообще невозможно. Поэтому мы предлагаем изучать рассеяние электромагнитных волн СВЧ диапазона на отдельных частицах различной формы и состава экспериментально с помощью построенной нами установки.

2. Экспериментальная установка

Схема экспериментальной установки для исследования дифракции СВЧ волн на плоских и объемных объектах представлена на рис.1. Она состоит из двух функциональных частей: системы генерации СВЧ излучения с антенно-волновым трактом и системы регистрации рассеянного излучения.

Источником СВЧ излучения служит генератор на диоде Ганна 1, обеспечивающий генерацию плоскополяризованного излучения с длиной волны А. = 9.5 мм и мощностью около 25 мВт. Для развязки генератора и антенно-волноводного тракта использован ферритовый вентиль 2. С помощью модуляторной секции 3 с р-ьп диодом осуществляется модуляция СВЧ сигнала. Низкочастотный модулирующий сигнал типа меандр с частотой /=400 Гц подается на модулятор 3 с генератора НЧ 4. Промодулированный СВЧ сигнал подается на вход крестообразного направленного ответвителя 5. Часть ответвленного сигнала поступает на детекторную секцию 6 с осциллографом 7 и служит для контроля мощности СВЧ излучения. Для устранения отраженного сигнала второй выход направленного ответвителя 5 соединен с согласованной нагрузкой 8. Прямопрошедший сигнал с выхода направленного ответвителя 5 регулируется подстроечным аттенюатором поглощающего типа 9 и поступает на вход / У-циркулятора 10. Выход 3 циркулятора соединяется с согласованной нагрузкой 11. Основной сигнал с выхода 2 У-циркулятора 10 поступает на согласующий Е-Н трансформатор 12. Он служит для согласования волновых сопротивлений циркулятора и антенны. Рупорная СВЧ антенна 13 с линзой 14 формирует пучок СВЧ излучения, который направляется на рассеивающий образец 15.

Рассеянное излучение, пройдя через линзу 16 и приемную антенну 17, установленную на поворотном устройстве (на блок-схеме не показано), и согласующий Е-Н трансформатор 18 поступает на детекторную секцию 19. Для повышения чувствительности сигнал с детектора усиливается узкополосным усилителем 20, который настроен на час-

© Н. Н. Коротаев, И. Л. Вольхин, А. В. Долгин, Э. Л. Русинов, 2006

74

Установка для исследования дифракции

75

п

л &

-о

15

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

юту модуляции волны 400 Гц и регистрируется вольтметром 21.

3. Проверка работоспособности установки

Для проверки работоспособности экспериментальной установки была рассчитана классическая задача дифракции излучения на щели в непрозрачном экране. Согласно [2],зависимость интенсивности рассеянного излучения от угла 0 на расстоянии Я от щели (рис. 2) определяется формулой

т=1м—

Ф

. 2Ф

Г- зш -2 2

_ £)біп0 _ .

где Ф = 2л- , О - ширина щели, к = 9.5 мм.

Л

Эта же задача была решена экспериментально. Для этого вместо рассеивающей частицы 15 были установлены два алюминиевых листа 1, как показано на рис. 2. Раздвигая листы 1,можно было из-

Рис. 2. Схема эксперимента по дифракции излучения на щели

76

Я. Я Коротаев, И. Л. Вольхин, А. В. Долгий, Э. Л. Русинов

менять ширину щели £. Излучающая антенна 2 была неподвижна, а приемная антенна 3 перемещалась по дуге окружности радиуса /?. Снималась зависимость напряжения на детекторе приемной антенны І/ (пропорциональное мощности СВЧ из-

-90 -60 -30 0 30 60 0°9О

Рис. 3. Зависимость II = /(0) для щели с й = 19 мм расчет - сплошная линия, эксперимент - круглые точки

лучения) от угла дифракции 0. На рис. 3 представлены расчетная (сплошная линия) и экспериментальная (круглые точки) зависимости 11 =_/{&) для щели с О = 19 мм. Экспериментальная и теоретическая кривые были совмещены при © = 0°. В пределах погрешности эксперимента наблюдается хорошее совпадение расчетной и экспериментальной кривых. Подобные зависимости были получены

теоретически и экспериментально для щелей с D -4.8, 9.5, 28.5, 38.0, 47.5 и 57.0 мм. Во всех случаях наблюдалось хорошее совпадение теоретических и экспериментальных кривых. Это свидетельствует о работоспособности установки.

4. Дифракция на стальных шарах

На установке изучена дифракция СВЧ волны на стальных шарах. На рис. 4 представлено угловое распределение излучения передающей антенны в отсутствие рассеивающей частицы (1) и дифракционная картина от стальных шаров диаметром d = 9 мм (2), 19 мм (3) и 40 мм (4). Из рисунка видно, что по мере увеличения размера частицы интенсивность и ширина главного максимума уменьшаются и появляются дифракционные максимумы второго порядка. Интенсивность этих максимумов растет с увеличением диаметра шаров d.

Описанная установка в дальнейшем будет использована для изучения дифракции волн от плоских и объемных частиц сложной формы из различного материала.

Кроме того, после дополнения установки некоторыми устройствами на ней можно будет измерять индикатрисы рассеяния отдельных частиц.

Список литературы

1. Mie G. II Ann. Der Phis. 1908. Vol. 25, № 4. С.

377.

2. Кроуфорд Ф. Волны. М.: Наука, 1974. С. 528.

20 U, В

/\6/ k. \ - 1

/ "Ди Ч V 2 lYVs

оо ■ * '•"Vi \ Ujy • і \

п И ІІ-: ± * * \ _

І* "ч ТЧі .< \'% —

-30 -20 -10 0 10 20 0° 30

Рис. 4. Дифракционная картина от стальных шаров диаметром d: 1 - пустая модель, 2 -9 мм, 3 - 19 мм, 4-40 мм