Волноводы поверхностных волн как измерительные преобразователи электрои теплофизических свойств Текст научной статьи по специальности «Физика»

Теплофизическое обеспечение технологических процессов тепло-массопереноса и проблем экологии

УДК 543.257.5;473.45.33

ВОЛНОВОДЫ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛН КАК ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРО- И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

П.А. Федюнин, А.А. Воробьев, Д.А. Дмитриев

Тамбовское ВВАИУРЭ (Военный институт) Представлена членом редколлегии профессором Ю.Л. Муромцевым

Ключевые слова и фразы: волноводы поверхностных волн; диэлектрическая проницаемость; коэффициент замедления; магнитная проницаемость; поверхностная волна; сильфонный волновод.

Аннотация: Рассмотрена классификация волноводов поверхностных волн и их комбинаций как первичных измерительных преобразователей электро- и те-плофизических свойств с точки зрения их регулярности, описаны их некоторые функциональные схемы и конструкции.

Адекватное проектирование разработанного нами комплекса методов и устройств поверхностных волн для измерения совокупности электро- и теплофизиче-ских параметров [1] требует знания границ регулярности волноводных структур поверхностных волн и информативного конструктивного изменения (вариации) регулярности. Нами рассмотрена классификация измерительных волноводов поверхностных волн с точки зрения их регулярности.

1. Плоскостной волновод, представляющий собой магнитодиэлектрический слой на металле [1], для которого должно выполняться условие регулярности диэлектрической и магнитной проницаемостей (действительных частей) е', и толщины магнитодиэлектрического слоя Ь по осям 2 и Х, причем а и Ь много больше длины волны, распространяющейся в магнитодиэлектрическом слое. Условие регулярности в данном случае выполняется при наличии «малых» неодно-родностей слоя, когда дифракцией волн по оси У можно пренебречь. В противном случае, когда дифракцией пренебречь нельзя, коэффициент затухания поля а не постоянен (зависимость от у в точке измерения а = /(у)). Алгоритм определения неоднородности рассмотрен нами в [2].

2. Диэлектрический волновод с точки зрения регулярности должен обладать неизменным поперечным сечением, т. е. радиусом а и постоянством электромагнитных свойств (е и |) в продольном направлении. В этом случае отсутствует «прямая» вытекающая волна. При непостоянстве электромагнитных свойств и радиуса волновода, т. е. при наличии малых неоднородностей, а также непрямолинейности диэлектрического волновода, когда радиус изгиба намного больше длины волны, наблюдается наличие «вытекающей» волны.

С нашей точки зрения первичные измерительные преобразователи (ПИП) на диэлектрическом волноводе поверхностных волн (ВВПВ), являются конструктивно наиболее простыми среди всех СВЧ устройств определения е жидких сред и наиболее безопасным при работе со спецжидкостями типа взрывчатых и горючих смесей. В нем полностью отсутствуют любые гальванические контакты с жидкостью, т.е. устройства возбуждения полей и приема информации взаимодействуют с жидкостью только через поле, через стенки трубопровода.

На рис. 1 показан ВВПВ в виде диэлектрического трубопровода радиуса а, толщиной А, заполненного проточной жидкостью с диэлектрической проницаемостью е, удельной проводимостью у и магнитной проницаемостью т = 1, пространство вне трубопровода имеет параметры е, т = 1, У = 0. Измеряемая напряженность поля |Е| над замедляющей структурой (ЗС) зависит: при фиксированной величине 2, от величины коэффициента затухания поля над ЗС аг, функционально связанной с коэффициентом замедления уз = /(е), а при фиксированной величине г > а + А, с погонным затуханием аг, связанным линейно с величиной потерь электромагнитных волн (ЭМВ) в жидкости, характеризующейся проводимостью у.

Рассматривается случай, когда толщина диэлектрического трубопровода А<<а, тогда становится практически не существенной величина соотношения е/ед (практически лежащая в пределах 0,5...15, для разных случаев), где ед -диэлектрическая проницаемость диэлектрика трубопровода. Для водных растворов всегда е>>ед, а для прочих, с меньшей величиной е, трубопровод изготавливается из радиопрозрачного материала (ед » 1), например, из высокоплотного пенопласта, в котором весьма удобно фиксировать систему приемных устройств. В этих случаях влиянием трубопровода на параметры ЗС (ВВПВ) можно пренебречь.

Нами рассматриваются два режима измерения параметров е и у - режима работы ЗС на диэлектрическом ВВ:

а) режим бегущих волн (БВ) (коэффициент бегущих волн (КБВ) КБВ » 0,85) -определение е и у по величине аг и аг, соответственно;

б) режим стоячих волн (СВ) (коэффициент стоячих волн (КСВ) КСВ » » 10. 15) - определение величины е по длине волны над ЗС - удвоенной разности расстояния между соседними минимумами поля в режиме непрерывного (дискретного) сканирования.

При разработке устройства на диэлектрическом волноводе, главным является оптимальный выбор структуры возбуждаемой поверхностной волны и величины

f r > i i i i i r e, m = 1; g = о

V////////////////A

\________________h_______________________________

\ e; m = 1; g > о z

У//////ШШ

\ А

Рис. 1 Волновод поверхностных волн

соотношения а/Лр, где Л - длина волны генератора. Этот выбор позволяет разрешить компромисс между максимизацией чувствительности йаг /йе и линейности, в возможно широком диапазоне е, характеристики аг = Ф^е). Кроме того, от этого выбора зависит точность определения величины а2 = Ф2(у).

Вдоль диэлектрического ВВ может распространяться большое, но конечное число типов волн, причем для них существуют два основных типа волн, т.е. волн с наибольшей критической длиной волны Л^, которые всегда могут распространяться вдоль диэлектрического ВВ (в металлических ВВ выбором его размеров можно добиться одномодового режима). Однако, реально, степень концентрации энергии волны у поверхности диэлектрического ВВПВ и его канализирующие свойства зависят от частоты, и ниже некоторого ее значения (реальная критическая частота) применение такого ВВ неоправдано [3]. Показано [4], что в таком ВВ могут существовать раздельно симметричные волны Е0п и Н0п. Из несимметричных волн могут существовать только гибридные волны типа НЕтп и ЕНтп. Наиболее удобной, с практической точки зрения, является линейно поляризованная несимметричная волна НЕп [5]. Если величина 2а < 0,63Лг, то симметричные и несимметричные волны высших порядков возникать не будут. Из осесимметричных волн наибольший интерес представляют волны Е01 и Н01. Все эти типы волн, при соответствующей системе возбуждения могут быть возбуждены в диэлектрическом ВВ коническим рупором. При возбуждении волны в рупоре типа Н11, а, соответственно, в ВВ - НЕ11, возникновение симметричных волн невозможно и поэтому радиус а выбирают так, чтобы отсутствовали высшие типы несимметричных волн (НЕ12, ЕН12 и т. д.). Для этого достаточно выполнения условия

а/Лг < 0,61Д/ев -1, (1)

где ев - верхнее значение е диапазона измерений.

Из этого условия легко выбрать, при фиксированной 1г и известном значении верхнего предела измерения ев, величину рабочего радиуса ВВ а.

Условие одномодового режима волны Е01 и Н01 редуцированное нами по [6, с. 280 - 288], имеет вид

для волны Е01

0,38 а 0,88

для волны Н01

>/ен -1 1 VeB -1

(2)

0,61

a 1,12

< — <

1г

>/ен -1 >/ев -1

(3)

здесь ен - нижнее значение диапазона измеряемых величин е.

Очевидны выводы из условий одномодовости (1) - (3):

1) волна НЕ11 может применяться для измерения е в широком (на порядок) изменении е;

2) отношение величины (ев - 1)/(ен - 1) для Н01 < 3,42, а для Е01 < 5,36, что позволяет использовать эти волны в узком диапазоне измерения е. На рис. 2 показаны области выбора пределов измерения для этих волн. Так для волны Н01 при ен = 2,25, величина ев не может быть больше 5,275.

B % Д, "о

Т.

Ri

^сильф ^Q n

R2

■R,

e; m = 1, g

b, z

Рис. 2 Комбинированный сильфонный волновод с волной Е01 с диэлектрическим волноводом

3 Комбинированные системы.

3.1 Металлический-диэлектрический волновод - регулярная система с точностью до неоднородности.

Соосное расположение круглого металлического волновода и диэлектрического волновода. При а<<Ь, где а и Ь - радиусы диэлектрического и металлического волноводов, происходит замедление поля поверхностной волны за счет смешанной диэлектрической проницаемости; по формулам эквивалентных параметров [2] можно рассчитать прохождение волны по линии передачи (определяется набег фазы).

При а>>Ь система представляет собой замедляющую структуру в виде диэлектрического волновода с внутренним металлическим экраном. Коэффициент затухания поля волны рассматриваемой системы как нерегулярной определяется таким же способом, как в случае диэлектрического волновода.

Соотношение радиусов а и Ь такое, что поле над диэлектрическим волноводом как над замедляющей системой не успеет затухнуть в вертикальной плоскости до металлического волновода. В этом случае интересен тот факт, что у металлического волновода как дисперсной структуры фазовая скорость зависит от длины волны Уф = Ф(1) а у диэлектрического волновода как дисперсной структуры коэффициент замедления уз, т.е. также Уф = Ф(Ю, то при определенной длине волны фазовая скорость двойной структуры, равная скорости света, есть мера е'.

3.2 Сильфон - диэлектрический круглый волновод. В этом случае сильфон для волн типа Етп как металлический волновод является нерегулярной системой, для волн типа Нтп регулярной (эквивалент сильфона - металлический волновод с радиусом а).

Соосное расположение сильфона и диэлектрического волновода. При а<<Ь, где а и Ь - радиусы диэлектрического волновода и сильфона. Сильфон является электромагнитным экраном переменной зоны взаимодействия. Также как и в случае, рассмотренном в п. 3.1 измеряют фазовый сдвиг.

Соотношение радиусов а и Ь такое, что поле над диэлектрическим волноводом как над замедляющей системой не успеет затухнуть в вертикальной плоскости до металлического экрана. В этом случае как и в предыдущем варианте комбинированной системы «металлический волновод-диэлектрический волновод» фазовая скорость двойной структуры есть мера е' .

r

b

Отрезок сильфонного ВВ является частным случаем ребристой ЗС (частный случай диафрагмированного ВВ), у которого замедляющие свойства и свойства дисперсии пространственных гармоник не проявляются для волны Н01, а имеют место для осесимметричной волны типа Е01, с составляющей вектора E вдоль направления распространения. Симметричный гофр, обладающий пространственным периодом Тс, при линейной деформации, сохраняет равенство полудлин Тс/2 вне и внутри ВВ одного гофра. Такая ЗС обладает неудовлетворительными дисперсионными и замедляющими свойствами [7]. Практически, величина коэффициента замедления v3 не зависит от параметров гофра, а зависит только от переменного количества гофров на единицу длины взаимодействия, т.е. набег фазы, в этом случае, является функцией исключительно переменной длины зоны взаимодействия, со слабой зависимостью Уз (и набега фазы) от изменения радиальных параметров гофра. Чувствительность измерения величины s по набегу фазы Дф можно существенно повысить, если повысить чувствительность компенсационного изменения набега фазы от величины Уз сильфонной периодической ЗС, при ее компенсационной линейной деформации (деформации зоны взаимодействия; объема сильфона). Нами разработан специальный комбинированный сильфонный ВВ с волной Е01 с диэлектрическим внутренним ВВ, схематично показанный на рис. 2. Он состоит из скрепленных (спаянных) полутороидальных гофров, так что величина Тс = ( а + b) >> а, и b >> а, где а - толщина стенки гофра, b - ширина гофра, d - глубина гофра. Набег фазы вдоль такой системы

Дф = Дф[^; s^s); Уз сильф(а, b, d), Уз ж(е, Дж); 4ильф(Ри)], (4)

зависит от следующих постоянных и переменных факторов:

- длины волны Аг = const, обеспечивает одномодовый режим волны Е01;

- средней по объему взаимодействия величины относительной диэлектрической проницаемости

s0 еср [s lсильф, Rж, Ri, R] , (5)

где Дж, R1, R2 = const;

- коэффициента замедления периодической сильфонной ЗС

уз сильф = уз сильф [а, b, (6)

где а = const, а величины b и d функционально связанны с давлением Ри, т.е. с деформацией сильфона.

От деформационной вариации этих величин Db и Dd существенно, а для Dd даже "критично", зависят: величина Узсильф, т.е. компенсационное значение Dj; длина сильфона /сильф = /сильф (Ри); коэффициент замедления диэлектрического ВВ с жидкостью Уз = Уз [£ф] »1.

Конструкция предложенной сильфонной ЗС обладает следующими преимуществами:

- практическим отсутствием изгибной информации, присущей стандартным сильфонам;

- высокочувствительной зависимостью величины Уз к величине Dd.

При деформации многогофрового сильфона (см. рис. 2), изменяется его общая длина /сильф = /0 х n и, как следствие, величина d (при /0Т, di и наоборот). Один гофр сильфона (рис. 3) а представляет собой неоднородную коротко замкнутую длинную линию (ДЛ) переменной величины d.

Ей эквивалентна однородная ДЛ (рис. 3, б) с переменной эквивалентной величиной d^, так, что при d^ = А /4, величина Узсильф®¥ и линия теряет свойства ЗС. Таким образом, величина dmax = d + Ddmax, должна быть таковой, чтобы соответствующая величина d < А / 4. При этом величина R1 = const.

- - ч

h У

(

--- b

d = R2 - R1

z

а)

б)

Рис. 3 Геометрическое определение глубины й гофра сильфона

Ф (2 = Ф(КЛ2.) дискретная функция глубины

Канавка частного параллельного резонанса с Z ® ¥

Z

Рис. 4 Разработка сильфонной измерительной замедляющей структуры

Перспективной является разработка сильфонной измерительной ЗС с R = = const, но с R2 = Ф(2) (рис. 4).

Индикация e осуществляется по наступлению резонанса в отдельной канавке. Остальные канавки не резонируют. При изменении длины ЗС перемещается положение резонансной ячейки вдоль ЗС.

Согласно деформационному расчету элемента сильфона (одного гофра) [8], зависимости d и l сильфона от величины Ри имеют вид (величина й?экв » d, т.к. практически d^, = 0,98d), мм:

d = bQ + rQ ± Dd (DR2 ) = bQ + rQ +

R2 1сильф

n x h (nrQ + 2bQ) E

= Ф1( Ри);

(7)

1сильф = n (lQ +D1Q) = n

pR? ( R + R2 ?

lQ + Q,58-1-M-2 I xРи

Q ' E (R + R? ) I h

= Ф?(Ри ). (8)

Подставляя выражение для d в (4) с учетом выражения (5) получим зависимость

Уз сильф = Ф3(Ри). (9)

Величина стабилизируемого набега фазы Дф определяется по выражению

Dj=#cp< I1 -

( l ^

^ ^кр EQ1 )

ßr 1сильфпз сильф

(1Q)

где величины /сильф определяются выражением (7), уз сильф выражением (9), с учетом (7) и (8), т.е.

Дф = ß силь ф(е) 'силь ф(Ри) v3 силь ф(Ри).

r

r

d

b

Q

2

Величина £ср для волны Е01 определена методом малых возмущений, так как чувствительность характеристики /сильф = Ф(е) на порядок выше, чем для обычного сильфона. Это позволяет значительно уменьшить величину Кж, что и обусловило возможность приближенного расчета величины есрЕ01 = Де).

3.3. Металлический провод - диэлектрический волновод. В таком сочетании имеем дело с однопроводной линией передачи с диэлектрическим покрытием. Регулярная линия передачи в данном случае должна обладать неизменным поперечным сечением, т. е. радиусами металлического провода и диэлектрического покрытия, а также постоянством электромагнитных свойств (е и |) в продольном направлении. Изменение (непостоянство) коэффициента затухания поля поверхностной волны есть мера неоднородности.

3.4. Диэлектрический стержень - металлическая спираль. Соосное расположение диэлектрического круглого волновода радиусом а и металлической спирали радиусом Ь и шагом Д<<Л. В данном случае с нашей точки зрения интересны следующие варианты.

При а<<Ь и заземлении металлической спирали, спираль выполняет роль электромагнитного экрана диэлектрического волновода. Этот случай аналогичен п. 3.1.

Питая металлическую спиральную замедляющую систему (а<<Ь) током 10, создавая поле Н0 продольного подмагничивания диэлектрического волновода, рассматриваются все аналоги комбинации металлического волновода с ферромагнитной жидкостью. Контроль нерегулярностей базируется на эффектах продольного подмагничивания, основной волной в диэлектрическом волноводе является гибридная волна НЕ11 - аналог волны Н11 с линейной поляризацией в круглом металлическом волноводе.

Одновременно возбуждая электромагнитную волну, например с помощью рупора, в спиральной замедляющей системе и диэлектрическом волноводе, имеет место сложная замедляющая система: недисперсная ЗС в виде спирали и ЗС на базе диэлектрического волновода как дисперсной системы.

Диэлектрический волновод радиусом а в виде спирали с радиусом К » Л >> а. Спиральная ЗС в виде диэлектрического волновода излучает быструю волну. В силу осевой симметрии спиральной ЗС излучение ЭМВ осуществляется вдоль оси ЗС (диэлектрическая спиральная система). Коэффициент затухания поля поверхностной медленной волны над спиральной ЗС обладает большей чувствительностью к изменению е', ||' [2].

Основными технологическими недостатками измерителей на диэлектрических волноводах являются трудность сопряжения возбуждения поверхностной волны (с приемным согласованием и минимума мощности быстрых волн) и ввода материальных потоков в диэлектрический волновод (нельзя сопрягать возбудитель и устройство ввода жидкости), невозможность байпасного ввода. Применение специальной волноводной щелевой антенны не только разрешает вышеуказанные трудности, но и позволяет осуществлять измерения влажности в потоке жидкой среды методом микроволновой термовлагометрии в диэлектрическом волноводе [9]. На рис. 5 показано простейшее устройство с разнесенным вводом материальных потоков и микроволновой энергии СВЧ, поглощаемой жидкой средой, реализующее принципы микроволновой термовлагометрии в волноводных измерителях.

Таким образом, анализируя рассмотренные варианты можно сделать следующие выводы.

1 Имеет место общее уравнение распространения поверхностной волны -уравнение Максвелла в дисперсной структуре - «однотипные» характеристические уравнения, решения которых вне зависимости от вида ЗС волновода поверх-

От управляемого

апертура

Рис. 5 Измеритель электрофизических и теплофизических параметров жидкостей

ностных волн выявляет поверхностный характер волны, т. е. все волны являются неоднородными с фазовой постоянной как вектором и нормальным ему вектором затухания поля а.

2 ЗС на основе волновода поверхностных волн является дисперсионной системой.

3 Во всех случаях наблюдается зависимость а и Уз от информативных параметрах нерегулярностей.

4 Наличие многомодовых режимов и принцип латентности и не латентно-сти мод.

5 Практическая возможность реализации одномодового режима нелатентных мод.

6 Принцип частотного управления сменой мод.

Для всех вариантов един принцип измерения коэффициента замедления поверхностной медленной волны.

В качестве примера показательны способ и устройство, реализующее его, на регулярном диэлектрическом волноводе для определения концентрации ферромагнитных частиц и продолговатых доменов в жидкости в диапазоне СВЧ [10], а также способ определения концентрации ФМЧ в жидкости и магнитной восприимчивости в диапазоне СВЧ [11].

Список литературы

1 Поверхностные волны и микроволновые устройства контроля электрофизических параметров магнитодиэлектрических покрытий на металле : монография / Д. А. Дмитриев и др. / под ред. Н.П. Федорова. - М.: Изд-во Машиностроение-1, 2004. - 196 с.

2 Отчет о НИР (заключительный) / Тамбовский ВАИИ. - Шифр "Замедле-ние-99"; Тема № 296081; Инв. №056291. - Тамбов, 2002. - 136 с.

3 Взятышев, В.Ф. Диэлектрические волноводы / В.Ф. Взятышев - М.: Советское радио, 1970. - 211 с.

4 Айзенберг, Г.З. Антенны УКВ / Г.З. Айзенберг - М.: Связьиздат, 1957. -623 с.

5 Жук, М.С. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств / М.С. Жук, Ю.Б. Молочков - М.: Энергия, 1971. - 378 с.

6 Фальковский, О.И. Техническая электродинамика / О.И. Фальковский. -М.: Связь, 1978. - 408 с.

7 Григорьев, А. Д. Резонаторы и резонаторные замедляющие системы / А. Д. Григорьев. - М.: Радио и связь, 1984. - 175 с.

8 Дмитриев, Д. А. Методы и устройства контроля состава и свойств ферромагнитных жидких сред в диапазоне СВЧ : дис. ... д-ра. техн. наук / Д. А. Дмитриев. - Тамбов: ТГТУ, 1998. - 438 с.

9 Дмитриев, Д.А. Основы микроволновой термовлагометрии : Теплофизи-ческие измерения при контроле управления качеством : материалы VI МТФШ / Д. А. Дмитриев, П. А. Федюнин, В. А. Тетушкин. - Тамбов: 20 - 24 сентября 2004 г. -ТГТУ, 2004. Ч. 1. - 298 с.

10 Пат. 2228519 Российская Федерация, МКИ 001 N 15/06. Способ определения концентрации ферромагнитных частиц и продолговатых доменов в жидкости в диапазоне СВЧ / П.А. Федюнин, Д.А. Дмитриев, Н.В. Макаров (РФ). -№ 2002109365; заявл.10.04.02; приоритет 10.04.02. - 7 с.

11 Пат. 2170418 Российская Федерация, МКИ 001 N 15/06. Способ определения концентрации ФМЧ в жидкости и магнитной восприимчивости в диапазоне СВЧ / П.А. Федюнин, Д.А. Дмитриев, М.А. Суслин, (РФ). - № 99108324/006585; заявл. 21.09.99; опубл. 10.07.01. - 5 с.

Waveguides of Surface Waves as Measuring Converters of Electrical and Thermal Physical Properties

P.A. Fedyunin, A.A. Vorobyev, D.A. Dmitriev

Tambov VVAIURE (Military Institute)

Key words and phrases: waveguides of surface waves; dielectric penetrability; slow down coefficient; magnetic penetrability; surface wave; bellows waveguides.

Abstract: Classification of waveguides of surface waves and their combinations as original measuring converters of electric and thermal physical properties in terms of their regularity is considered. Some functional schemes and structures are described.

Wellenleiter der oberflächlichen Wellen als Meßumformer der elektrischen und wärmephysikalischen Eigenschaften

Zusammenfassung: Es ist die Klassifikation von Wellenleiter der oberflächlichen Wellen und ihrer Kombinationen als primäre Meßformer der elektrischen und wärmephysikalischen Eigenschaften aus der Sicht ihrer Regularität betrachtet. Es sind ihre einigen Fuktionalschemen und Konstruktionen beschrieben.

Guides d'ondes de surface comme convertisseurs de mesure des propriétés électriques et thermophysiques

Résumé: Est envisagée la classification des guides d'ondes de surface et leur combinaison comme convertisseurs primaries de mesure des propriétés électriques et thermophysiques du point de vue de leur régularité, sont décrits leurs schémas de fonctionnement et leur construction.