Диссертация (Преобразователи амплитудно-фазового распределения полей на многомодовом диэлектрическом волноводе для радиоинтерферометрической диагностики объектов), страница 7

Везде далее рабочая длина волны принята равной 3,2 мм1,Поскольку диссертационная работа связана с разработкой конкретного МРИ.Воспользуемся введенным выше (1.6) практическим размером ПГЭ0. Вплоскости z  0 DGH  0   D0  3aGH , а при больших расстояниях до объектасправедливо асимптотическое выражениеDGH  z  3z .2aGH(1.7)На рис. 1.5 для указанных размеров ОД и расстояний приведеныасимптотические границы ПГЭ0 для трех значений начальной ширины пучка2.Если полагать, что боковые границы торца ШПДВ совпадают с границами пучка2 D0 , то для длины волны 3,2 мм значения его ширины равны: 19,2; 12,8 и 6,4 мм,соответственно. Из приведенных на рис. 1.5 графиков следует, что при ширинеторца ШПДВ, равном 2λ, во всей рабочей области объект будет освещенполностью.

Это означает, что для этого размера возможна реконструкция формыповерхности объекта для всех типовых расстояний и размеров, оговоренныхвыше.Значение длины волны для одной из реализаций МРИ. 9-канальный МРИ [17] состоит из трехидентичных блоков, каждый из которых содержит приемо-передающий и два приемных канала.Частоты передатчиков каждого блока отличаются на 200 МГц. Такое модульное построениеМРИ позволяет в зависимости от прикладной задачи диагностики использовать 3, 6 или 9каналов.2Границы линейных размеров привязаны к реальному образцу МРИ.137Если ограничить поперечные размеры ОД значениями от 100 до 150 мм, топри рабочей длине волны 3,2 мм апертура 12,8 мм (4λ) обеспечит реконструкциюформы поверхности объекта заданных размеров во всем диапазоне егоперемещений от 63λ (201,6 мм) до 26.6λ (85.1 мм).При ширине ШПДВ 4λ в волноводе будут существовать 3 четные моды и,как будет показано далее, трехмодовый режим является предпочтительным сточки зрения реализации синтеза АФР, близкого к ПГЭ0.Рис.

1.5 Асимптотические зависимости границ ширины пучка DGH .1 – начальная ширина пучка 2 , 2 – 4 , 3 – 6Перейдем теперь к оценке доли излученной мощности, перехватываемойпреобразователем после дифракции зондирующего пучка на объекте, на разныхрасстояниях до него. Оценки были проведены для торца преобразователяразмером 6 и размеров объекта 3, 6, 12, 18. При z<200 при размере объектабольше торца преобразователя зависимость от размера его поперечного сечениястановится несущественной. Только если сечение объекта становится меньшесечения зондирующего пучка, его размер оказывает влияние на энергетическуюэффективность каналов МРИ.Рассмотрим далее систему приемо-передающего (центрального) и двухбоковых (приемных) преобразователей.

Так как оба боковых канала идентичны,38достаточно рассмотреть один боковой канал. На рис. 1.6 представлены границыПГЭ0 для центрального облучателя приемо-передающего канала и пучкаприемного канала. Размеры торца преобразователей приняты равными 4λ (12,8мм) и выбраны с учетом соображений, указанных выше. Для получения большейдостоверности результатов измерений желательно, чтобы пучок центральногоканала и пучок бокового канала накрывали друг друга на поверхности объекта[21].

Наибольшая протяженность зоны перекрытия получается, если в сеченииz  0 пучки соприкасаются друг с другом. В этом случае оба пучка полностьюнакрывают объект в зоне от 63λ (  200 мм) до 32λ (  100 мм).Рис. 1.6 Зона перекрытия центрального и бокового пучков при размерах апертур 4.При z=0 пучки соприкасаются друг с другомДля оценки энергетической эффективности трехканальной системы МРИвоспользуемся матричным описанием МРИ как многополюсника, приведенным в[20]. Ограничимся одномерным случаем, а поверхность объекта будем считатьплоской.

Для такой оценки фаза поля информационного пучка не имеет значения.Поэтому для центрального канала имеемd1S11 exp  2  d  ,  1  jD  dгде   aydd ,– безразмерные параметры.a  1  jD  1  jD (1.8)39Нарис.1.7представленасхемавзаимодействиятрехканаловпреобразователей с объектом диагностики (1.7 а) и зависимость модуля S11 отпродольной координаты для различных поперечных размеров ОД (1.7 б).Практический размер ПГЭ0, совпадает с апертурой облучателя и равен2D0  12,8 мм. Реальные размеры поперечного сечения объекта равны: 64 мм,102,4 мм, 128 мм, соответственно.

При этих данных центральный каналобеспечивает уверенный прием сигнала во всей рабочей области МРИ при уровнепринятого поля до –30 дБ.Как отмечено выше для приемо-передающего канала, с увеличениемпоперечного размера ПГЭ0 до размера объекта диагностики уровень сигналавозрастает, и условия приема только улучшаются.Для боковых каналов элементы матрицы передачи равныS12где 2 22exp  4  1  jD   dexp   2  d  ,1  jD   d(1.9)Y2– нормированная координата продольной оси бокового канала,a221  jD22d 1  jD d d2  d  2.1  jD На рис. 1.8 представлены зависимости модуляS12 от продольнойкоординаты для различных размеров ОД.

Как и выше, на рис. 1.7 для длиныволны   3,2 мм практический размер ПГЭ0, совпадает с размером торцапреобразователя и равен 2D0 = 12,8 мм. Реальные размеры поперечного сеченияобъекта равны: 64 мм, 102,4 мм, 128 мм, соответственно. Как видно из рис.1.6«мертвая зона» находится левее сечения ≈6λ. Сигнал от объекта с поперечником64 мм в рабочей области менее –15 дБ, а от остальных около –10 дБ. В концерабочей зоны сигнал падает до –15 дБ, а для сечения 64 мм почти до –25 дБ.40dа)yS12Y2D0zS11 D0-dY3S13б)Рис. 1.7 Схема взаимодействия трех каналов преобразователя с ОД (а) и зависимость модуляэлемента матрицы передачи S11 от продольной координаты, выраженной в длинах волн: 1 –поперечник объекта 5D0 , 2 – 8D0 , 3 – 10D0 , 4 –бесконечная плоскость.

Размер ПГЭ02D0  4 (б)Рис. 1.8 Зависимость модуля элемента матрицы рассеяния S12 от продольной координаты дляПГЭ0 с поперечником 2 D0  4 1 – поперечник объекта 5D0 , 2 – 8D0 , 3 – 10D0 , 4 –бесконечная плоскость41Таким образом, при проектировании волноводных преобразователей дляобеспечения измерения динамики изменения формы объекта при многоканальнойдиагностике перемещения объектов в рабочей зоне, будем синтезировать АФРзондирующего волнового пучка, описываемого моделью ПГЭ0. При этом:1. Будем использовать введенный размер практического сечения пучка2 DGH , связанный с горловиной пучка 2 aGH при z  0 . Связь параметров пучка сразмером сечения ПДВ будем определять из соотношенийDGH (0)  b , aGH  0,33b .2.Дляобеспеченияэнергетическойэффективностивзаимодействиязондирующего волнового образования с объектом, ширина синтезируемого пучкапо выбранному уровню интенсивности должна быть не больше размера ОД примаксимальном расстоянии между ними.

Это обеспечивается выбором сеченияпреобразователя на его торце, равным или меньшим, чем размер сечения ОД.3. Зондирующий волновой пучок центрального приемо-передающего каналадолжен частично перекрываться с виртуальными волновыми пучками боковыхприемных каналов, причем область перекрытия должна находиться в пределахширины ПГЭ0 по уровню 30 дБ для обеспечения линейности фазовыххарактеристик и уровня коэффициента передачи бокового канала не менее30 дБ.4.

Для принятых выше условий диагностики энергетическая эффективностьи необходимый уровень перекрытия волновых пучков многоканального РИобеспечивается при размерах широкой стороны сечения ПДВ от 3 до 8. Приэтом размер узкой стороны сечения ПДВ полагаем равным 0,3 для обеспеченияодномодового режима ПДВ.421.4.Постановказадачипреобразователейисследованиянаосновеипроектированиямногомодовыхпрямоугольных диэлектрических волноводовВыше показано, что для решения задачи реконструкции формы объектамногоканальными РИ необходимо:1.СочетатьинформационногозондированиеволновогоОДобразования,смногоканальнымдифрагировавшегоприемомнаобъектедиагностики.2.

Применять многомодовый режим волн ПДВ для получения требуемого, взависимости от конкретной прикладной задачи, АФР зондирующего поля.1.4.1. Базовая структура планарного преобразователяна основе ПДВВ качестве базовых элементов планарного преобразователя, формирующегозондирующее поле РИ, выбраны отрезки ПДВ, один из поперечных размеровкоторых (ширина) составляет до нескольких длин волн, а другой (толщина)выбран так, чтобы не допустить существования распространяющихся волн сболее чем одной вариацией поля по этой координате. Базовая структурапреобразователя, рассматриваемая в данной работе, предложенная в [A4],представлена на рисунке 1.9.Рис.

1.9 Структура волноводного преобразователя на базе ПДВ43Преобразователь состоит из трех элементов: отрезка регулярного одномодового ДВ 1 (слева на рисунке 1.9), плавного перехода 2 с медленным изменением формата, регулярного участка 3 широкоформатного ПДВ.Будем рассматривать волны типа НЕmn , у которых в электрическом поле Eпреобладает составляющая по координате у.Синтез АФР зондирующего поля будем реализовывать в многомодовомрежиме ШПДВ. Основой модели синтеза и реализации требуемого для синтезамодового состава является участок регулярного ШПДВ преобразователя.Сначала (в модельном представлении) будем полагать в сечении II на входеШПДВ волну НЕ11. Для этого в реальной конструкции преобразователя нужновыбрать такие параметры перехода, чтобы обеспечить передачу волны НЕ11одномодовогоДВнавходепреобразователявтужеволнуНЕ11широкоформатного ПДВ.Как показано в работах [47, 61] это обеспечивается при выполнении условияадиабатичности, обеспечивающего, в первом приближении, равенство мощностиволн на входе и выходе плавного перехода.

При коэффициенте передачимощности свыше 90% (потери меньше 0,5 дБ) потери в переходе напреобразование основной моды в высшие и в вытекающие волны пренебрежимомалы.Экспериментальноопределенотребованиекуглупривершине0клиновидного перехода 2 на рис. 1.9. При углах 2  15 потери не превышают0,5 дБ1. При таком выборе угла можем полагать, что волна НЕ11 при движении поклину не излучается, постоянная распространения НЕ11 меняется медленно идеформация волны проявляется только в формировании цилиндрическогофазового распределения. В этом случае можно полагать, что незначительноеКак показано в [59] еще меньшими потерями обладают переходы с параболической иэкспоненциальной формой перехода, однако по технологическим соображениям выбранклиновидный переход.144отражение и преобразование в вытекающие волны происходит только на стыкахэлементов – в сечениях I и II преобразователя (рис.

1.9) [34].1.4.2.Возможныеспособыреализациимногомодовогорежимав преобразователях на основе ПДВИз изложенного выше следует, что решение задачи синтеза АФРзондирующегополямногомодовымиПДВтребуетразработкиспособовполучения набора собственных волн ПДВ с определенным соотношением ихкомплексных амплитуд.В волноводах любого типа для преобразования типов волн используютсянерегулярности в виде перехода с изменением формы сечения между участкамиволноводов с разными сечениями и локальные неоднородности. В силуспецифики ДВ, как открытой системы, для преобразования волн ДВ можноиспользовать:- плавные переходы, допускающие возможность существования высшихмод и условия эффективного преобразования мод;- локальные неоднородности, представляющие собой малое возмущениепараметров ДВ (размеров, диэлектрической проницаемости и т.п.).Основными параметрами, характеризующими преобразование волн нанерегулярностях волновода, являются коэффициенты связи мод.Математическим аппаратом является теория связанных волн [58].