64100 (589082), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Приборы радиоволнового контроля могут быть классифицированы по различным признакам. По информативному параметру различают приборы:

• амплитудные;

• фазовые;

• амплитудно-фазовые;

• поляризационные;

• резонансные;

• лучевые;

• частотные;

• преобразовательные (вид волны);

• спектральные.

По схемам расположения приемника и излучателя энергии СВЧ относительно контролируемого образца могут быть:

• на прохождение (двусторонний доступ);

• на отражение (односторонний доступ);

• комбинированные.

Неразрушающий метод контроля диэлектрических изделий и материалов, размещаемых в свободном пространстве (метода свободного пространства), состоит в сравнении параметров электромагнитной волны, прошедшей через геометрически правильный диэлектрический образец (метод на прохождение), или им же отраженной, с параметрами волны, проходящей то же пространство без образца, либо с волной, отраженной от идеального отражателя (метод на отражение). Данные примеры методов приведены на рисунке 4.1.

Под идеальным отражателем понимается плоский металлический экран, практически не создающий при отражении электромагнитной волны потерь и фазовых искажений её фронта. При измерениях по этой методике диэлектрический образец располагается в свободном пространстве, т.е. он не имеет непосредственного механического контакта с какими-либо узлами измерительной или вспомогательной аппаратуры, кроме элементов крепления самого образца, находящихся практически вне электромагнитного поля и не оказывающих существенного влияния на результаты измерений. Сравнение параметров указанных волн позволяет вычислить собственные параметры диэлектрика. В принципе диэлектрический образец и фазовый фронт падающей электромагнитной волны могут быть любой формы, однако в таком общем случае установить достаточно точную связь между параметрами волны и электрическими параметрами взаимодействующего с ней диэлектрика становится весьма затруднительно. Задача решается достаточно точно для немногих частных случаев.

а)

б)

в)

Рисунок 4.3 – Метод РВК в свободном пространстве:

а – метод на прохождение (двусторонний доступ). Исследуемый образец размещается между приемной и передающей антеннами.

б – метод на отражение (односторонний доступ) с использованием отражателя (металлического экрана). Исследуемый образец размещается на некотором расстоянии от передающей и приемной антенн.

в – метод на отражение (односторонний доступ) с использованием отражателя (металлического экрана). Исследуемый образец размещается на некотором расстоянии от приемопередающей антенны.

Обычно в практике исследований используется так называемое «плосковолновое приближение» – фазовый фронт электромагнитной волны в зоне взаимодействия с диэлектрическим образцом должен быть приближенно плоским. Это приближение приемлемо не только с точки зрения математического описания процесса, но и с технической точки зрения, т.е. возможности формирования приближенно плоской (квазиплоской) волны. Если измеряются параметры волны, проходящей через образец, или волны, отраженной от его передней и задней поверхности, то диэлектрический образец выполняется при этом, как правило, в виде плоскопараллельной пластины. Если же измеряются параметры волны, отраженные только передней поверхностью, то диэлектрическому образцу с теневой стороны придается такая форма (например, форма клина), при которой волны, отраженные задней поверхностью или прошедшие через эту поверхность, не попадают в приемное устройство. В любом случае, чтобы исключить явление дифракции и возникающие при этом дополнительные ошибки измерения, края образца должны находиться вне облучающего электромагнитного поля. С этой целью на образец направляется не безграничная плоская волна, а конечный волновой пучок, при этом размеры самого образца в зоне взаимодействия должны превышать размеры поперечного сечения волнового пучка.

Метод свободного пространства может быть применен в следующих случаях:

• для измерений в миллиметровом и сантиметровом диапазонах, в которых другие (например, резонаторные или волноводные) методы становятся неприемлемыми;

• при исследовании параметров однородных, неоднородных и слоистых листовых материалов, как в условиях лаборатории, так и в производственных условиях, когда изготовление образцов специальной формы из листового материала не целесообразно;

• при исследовании пленочных материалов;

• при исследовании готовых изделий из диэлектриков (например, обтекателей антенн, антенных окон и других радиопрозрачных оболочек), которые нельзя разрушать для изготовления из них образцов, в целях проведения измерений;

• при исследовании диэлектриков в процессе воздействия на них каких-либо внешних факторов: радиации, механических усилий, тепловых потоков, плазменных сред, при которых любая другая измерительная аппаратура, контактирующая с диэлектрическими образцами, становится либо помехой для действия этих факторов, либо сама разрушается под их воздействием [14].

4.3 Измеряемые параметры и принципы измерений РВК

В технике СВЧ для формального описания свойств диэлектриков принято пользоваться несколькими парами параметров, а именно:

• относительной диэлектрической проницаемостью ε и проводимостью материала σ;

• действительной ε′ и мнимой ε″ частями абсолютной комплексной диэлектрической проницаемости:

έа = ε′а- јε″а , (4.1)

• действительной n и мнимой nk частями комплексного коэффициента преломления ń = n(1 - jk) либо коэффициентом преломления n и коэффициентом поглощения k;

• относительной диэлектрической проницаемостью ε и тангенсом угла диэлектрических потерь tg δ.

Между названными параметрами существует однозначная связь, в результате чего одни могут быть выражены через другие, например:

ε′ = εа = εεо; ε″ = σ / w; tgδ = ε″/ ε′ = σ / w εа ; έа = n², (4.2)

где εεо= εа – абсолютная диэлектрическая проницаемость;

εо ≈ 8,86∙10‾ ¹² Ф/м – электрическая постоянная;

έ = έа/εо – относительная комплексная диэлектрическая проницаемость.

Приведенные параметры удобны для описания свойств однородных материалов. Для неоднородных материалов (например, слоистых) либо с дефектами необходимо найти поле электрических параметров (их распределение). В подобных случаях удобно характеризовать не материал с электрическими (ε и tg δ), а изделие, диэлектрический слой с радиотехническими параметрами, в частности комплексными коэффициентами прохождения Т (метод на прохождение) либо отражения R (метод на отражение):

, (4.3)

, (4.4)

где |Т| и |R| - модули комплексных коэффициентов,

φ и ψ – соответственно их фазы.

Так как в практике измерений в большинстве случаев используется квадратичное детектирование, при котором показания токового индикатора пропорциональны мощности детектируемого сигнала, то удобно использовать не модули, а квадраты модулей коэффициентов прохождения и отражения, т.е. |Т|² и |R|². Эти величины обычно называются просто коэффициентами прохождения и отражения по мощности и показывают, какая часть мощности падающей волны проходит или отражается от диэлектрического образца. Величины φ и ψ показывают, как меняется фаза волны при её прохождении или отражении от объекта.

Комплексные коэффициенты T и R являются функцией нескольких переменных, а именно:

Т = f1(ε, tgδ, d/λε), (4.5)

R = f2(ε, tgδ, d/λε), (4.6)

где ε и tg δ – электрические параметры материала;

d – геометрическая толщина образца в зоне измерения;

λε – длина волны в диэлектрике.

При известном отношении d/λε между комплексными величинами T и R и параметрами материала существует определенная аналитическая связь. Поэтому по известным значениям T или R могут быть вычислены ε и tgδ и наоборот. Если материал неоднороден, то измеренные значения T или R позволяют перейти к эффективным значениям электрических параметров εэфф tgδэфф. Значения эффективных электрических параметров зависят не только от толщины пластины и длины волны, но и от угла падения электромагнитной волны, а также от выбранного параметра (T или R), по которому они определяются.

Таким образом, в дипломном проекте будет использовать ряд параметров: электрические – ε и tgδ, относящиеся к однородному материалу; и радиотехнические –T, |T|, |Т|², φ (метод на прохождение), R, |R|, |R|², ψ (метод на отражение), относящиеся к изделию (диэлектрической пластине) из однородного либо неоднородного материала, и, наконец, εэфф и tgδэфф , применяемые иногда для характеристики только неоднородных диэлектрических пластин (например, для слоистых пластин или пластин, подвергающихся действию теплового удара).

Перейдем к рассмотрению известных способов измерения электрических и радиотехнических параметров методом свободного пространства. Если на плоскопараллельную пластину под некоторым углом φпад падает плоская, определённым образом поляризованная, электромагнитная волна, то амплитуда и фаза отраженной и прошедшей волн несут информацию о комплексной диэлектрической проницаемости материала. Соответственно существуют две основные группы методов измерения ε и tgδ в свободном пространстве: первые основаны на наблюдении волн, отраженных диэлектрическим объектом, вторые – прошедших диэлектрический объект.

Как известно, комплексный коэффициент отражения границы раздела воздушной и диэлектрической среды определяется формулами Френеля. Эти формулы являются исходными и в теории некоторых методов, основанных на анализе отраженных волн. Как видно, искомая диэлектрическая проницаемость ε связана функциональной зависимостью с φпад , , , которые в принципе могут быть определенны экспериментально [2, 3].

Сравнение результатов работ различных авторов показывает, что минимальная величина tgδ, которую удалось измерить, используя отраженные волны, составляет 0,001 – 0,002, что, видимо, говорит о реально достижимой чувствительности применяемой аппаратуры.

Сравнение комплексных коэффициентов отражения различно поляризованных волн лежит в основе «поляризационного» метода исследования диэлектриков в свободном пространстве. Суть этого метода заключается в следующем. Если на поверхность раздела двух сред падает электромагнитная волна с круговой или эллиптической поляризацией, то отраженная волна меняет поляризационную структуру [4]. Комплексный коэффициент поляризации отраженной волны p равен отношению коэффициентов Френеля для параллельно и перпендикулярно поляризованной волны.

. (4.7)

Таким образом, экспериментальное нахождение р, например, по амплитудам вертикальной и горизонтальной составляющих поля и углу ориентации поляризационного эллипса также дает возможность вычислить ε.

Другой вариант поляризационного метода определения ε состоит в измерении угла Брюстера и отношения модулей коэффициентов отражения параллельно и перпендикулярно поляризованных волн. Основная ошибка измерений по углу Брюстера и поляризационными методами обусловлено тем, что теория этих методов учитывает отражение волн только от границы раздела двух сред и предполагает отсутствие внутренних многократных отражений, вызываемых теневой поверхностью образца.

Комплексные коэффициенты прохождения параллельно и перпендикулярно поляризованных волн через границу раздела «свободное пространство - диэлектрик» согласно формулам Френеля записываются в виде:

, (4.8)

. (4.9)

Выражения (4.8), (4.9) позволяют вычислить комплексный коэффициент прохождения волны через плоскопараллельную пластину определенной толщины, по значению которого затем можно найти и ε. Иллюстрацией сказанного может быть методика определения ε, в которой используется тот факт, что модуль коэффициента прохождения является осциллирующей функцией толщины плоской диэлектрической пластины [4]. Задача определения ε сводится к экспериментальному нахождению такой толщины, при которой приемная антенной воспринимается максимум или минимум мощности, при этом найденная осциллирующая функция, представляемая графически, позволяет определить и tgδ. Естественно, что определение ε в общем случае может производиться и по одновременно наблюдаемым прошедшей и отраженной волнам.

Характеристики

Список файлов ВКР