Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Диэлектрические свойства грунта и методы их исследования 12
1.1 Состав и свойства грунта 12
1.2 Зависимости диэлектрических параметров грунта от внешних и внутренних факторов 16
1.2.1 Зависимости диэлектрических параметров грунта от частоты электромагнитного поля 17
1.2.2 Зависимости диэлектрических параметров грунта от температуры 18
1.2.3 Зависимости диэлектрических параметров грунта от содержания проводящего компонента 18
1.2.4 Зависимости диэлектрических параметров грунта от его типа 19
1.3 Математическое описание зависимостей диэлектрических пара метров грунта от внешних и внутренних факторов 20
1.4 Методы измерения диэлектрических параметров грунта 24
1.5 Выводы 28
Глава 2. Математическое описание зависимостей импеданса линейной антенны от характеристик горизонтально-слоистой среды 30
2.1 Взаимный импеданс двух линейных антенн, расположенных в одном из слоев горизонталы-ю-слоистой среды 30
2.2 Расчёт импеданса полуволновой линейной антенны, расположенной над однородной средой 33
2.3 Неразрушающий метод измерения комплексной диэлектрической проницаемости однородной среды с использованием ультравысокочастотной линейной антенны 37
2.4 Расчёт импеданса полуволновой линейной антенны, расположенной над двухслойной средой 39
2.5 Неразрушающие методы измерения толщины и диэлектрической проницаемости верхнего слоя двухслойной среды с использованием ультравысокочастотной линейной антенны 43
2.6 Расчёт импеданса полуволновой линейной антенны, расположенной над трёхслойной средой 47
2.7 Расчёт импеданса полуволновой линейной антенны, расположенной над грунтом с вертикальными профильными изменениями диэлектрических параметров 49
2.8 Выводы 54
Глава 3. Экспериментальная установка для исследования влияния диэлектрических свойств грунта на импеданс линейной антенны 56
3.1 Конструкция экспериментальной установки 56
3.2 Антенные датчики для полевых измерений 62
3.3 Антенны для лабораторных измерений 76
3.4 Выводы 79
Глава 4. Экспериментальные исследования влияния диэлектрических свойств подстилающей среды на импеданс линейной антенны 81
4.1 Исследование зависимости модуля импеданса линейной антенны от высоты расположения антенны над однородной средой 81
4.2 Исследование зависимости модуля импеданса линейной антенны, расположенной над двухслойной средой, от толщины первого слоя среды 83
4.3 Исследование зависимости импеданса линейной антенны от высоты расположения антенны над трёхслойной средой 86
4.4 Исследование влияния пространственного распределения диэлектрических параметров грунта на модуль импеданса линейной антенны в полевых условиях 90
4.5 Выводы 96
Заключение 98
Библиографический список 100
Приложение А Акты использования и внедрения результатов диссертационного исследовани
- Математическое описание зависимостей диэлектрических пара метров грунта от внешних и внутренних факторов
- Расчёт импеданса полуволновой линейной антенны, расположенной над двухслойной средой
- Исследование зависимости модуля импеданса линейной антенны, расположенной над двухслойной средой, от толщины первого слоя среды
- Исследование влияния пространственного распределения диэлектрических параметров грунта на модуль импеданса линейной антенны в полевых условиях
Введение к работе
По условиям эксплуатации антенны различных типов располагаются вблизи поверхности земли [1]. Входной импеданс (далее - импеданс) таких антенн зависит от диэлектрических свойств грунта, над которым расположены антенны.
Практика проектирования и эксплуатации приземных антенн обусловила необходимость решения задач об определении импеданса антенн с учётом влияния диэлектрических свойств грунта.
Проблема исследования влияния подстилающей среды на импеданс ан тенн имеет научный интерес и с точки зрения метрологии. В работах [2, 3] ио- f казано, что диэлектрические параметры однородной среды можно определять по результатам измерения импеданса одиночной линейной антенны или системы из двух линейных антенн, расположенной над средой. Под однородной средой понимается среда с равномерным пространственным распределением диэлектрических параметров.
По мере развития радиотехники, освоения диапазона ультравысоких час тот (300 МГц - 3 ГГц по ГОСТ 24375-80) возникла необходимость изучения влияния подстилающей среды на импеданс ультравысокочастотных антенн. ( В реальных условиях грунт, как правило, характеризуется неравномер- ным пространственным распределением диэлектрических параметров, что осложняет описание его диэлектрических свойств [4]. При решении задач, связанных с оценкой влияния диэлектрических свойств грунта на импеданс антенны, грунт моделируется горизонтально-слоистой средой. В рамках таких модельных представлений диэлектрические свойства грунта описываются количеством слоев, их диэлектрическими параметрами и толщинами.
Расчёту импеданса линейных антенн в присутствии однородных и горизонтально-слоистых сред посвящены работы различных авторов. В работе [5] решена задача для линейной антенны, расположенной над однородной средой параллельно поверхности среды. Предполагалось, что волновое число воздуха много меньше волнового числа среды. Такое допущение позволило вывести формулы для инженерных расчётов приземных антенн.
Выражение для импеданса линейной антенны, расположенной в одном из слоев горизонтально-слоистой среды параллельно границам раздела слоев, получено автором работы [в]. Ему же удалось рассчитать взаимный импеданс двух идентичных линейных антенн, расположенных в одном из слоев горизонтально-слоистой среды параллельно друг другу и границам раздела слоев [7].
В работе [8] предложена теоретическая модель, позволяющая рассчитать импеданс системы из двух параллельных линейных антенн или одиночной ли нейной антенны, расположенной в одном из слоев горизонтально-слоистой сре ды параллельно границам раздела слоев. Модель учитывает тот факт, что ан- к тенны могут иметь различные длины и могут быть смещены друг относительно друга в направлении каждой из трёх координатных осей. При условии, что длины антенн одинаковы и расстояние между антеннами равно нулю, взаимный импеданс антенн становится равным собственному импедансу одиночной антенны.
Вышеупомянутая модель не имеет экспериментального подтверждения для случая расположения одиночной линейной антенны над горизонтально- слоистой средой. В связи с этим экспериментальное исследование влияния ди- р электрических свойств горизонтально-слоистой среды на импеданс линейной антенны является актуальным.
Цель диссертационной работы состоит в экспериментальной проверке известной теоретической модели, позволяющей рассчитать импеданс ультравысокочастотной линейной антенны, расположенной над горизонтально-слоистой средой параллельно границам раздела слоев.
В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи. і
1. Исследовать в лабораторных условиях зависимости импеданса ультравысокочастотной линейной антенны от следующих факторов: - высоты расположения антенны над однородной средой, толщины первого (верхнего) слоя двухслойной среды, высоты расположения антенны над трёхслойной средой.
2. Исследовать в полевых условиях влияние пространственного распреде ления диэлектрических параметров грунта на импеданс ультравысокочастотной линейной антенны.
Вышеуказанные исследования необходимо провести для линейных антенн, настроенных на различные частоты.
3. На основе сравнения результатов экспериментальных исследований с результатами теоретических расчётов сделать вывод о возможности примене ния известной теоретической модели для расчёта импеданса ультравысокочас тотной линейной антенны, расположенной над горизонтально-слоистой средой.
При решении задач диссертационного исследования использовались известные положения радиофизики, теория антенн, рсфлектометрический метод измерения импеданса линейной антенны. Обработка результатов теоретических расчётов и экспериментальных исследований производилась на ПЭВМ с применением методов графического представления данных.
Достоверность основных результатов диссертационной работы подтверждена их соответствием результатам, полученным другими авторами для частных случаев, корректностью постановки и решения задач диссертационного исследования.
В диссертации систематизированы результаты международных научно-исследовательских работ, выполнявшихся в период с 2003 по 2004 гг. Работы проводились в рамках совместного проекта Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) и Международного исследовательского центра телекоммуникаций, излучения и радиолокации (IRCTR) при Дельфтском университете технологии (TU Delft).
Научная новизна диссертационной работы определяется следующими её результатами:
1. Впервые экспериментально обоснована возможность применения известной теоретической модели для. расчёта импеданса ультравысокочастотной
8 линейной антенны, расположенной над горизонтально-слоистой средой параллельно границам раздела слоев.
Впервые разработаны неразрушающие методы измерения толщины и диэлектрической проницаемости верхнего слоя двухслойной среды с использованием ультравысокочастотной линейной антенны. Толщина или диэлектрическая проницаемость слоя определяется по значению высоты расположения антенны над средой, соответствующему экстремальному значению модуля импеданса антенны.
Впервые сформулированы условия, касающиеся результатов измерения импеданса полуволновой линейной антенны при изменении высоты расположения антенны над средой, достаточные для вывода о том, что среда неодно- > родна.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. Известная теоретическая модель, выдержавшая экспериментальную проверку в рамках диссертационного исследования, рекомендуется к использо ванию при проектировании ультравысокочастотных линейных антенн, предна значенных для эксплуатации вблизи поверхности земли.
2. Разработанные неразрушающие методы измерения толщины и диэлек трической проницаемости верхнего слоя двухслойной среды с использованием ^. ультравысокочастотиой линейной антенны рекомендуется применять при ре- шении геологических задач, а также в промышленности. Для определения характеристик слоя по предложенным методам необязательно проводить измерения модуля импеданса антенны с помощью измерителя комплексных коэффициентов передачи. Можно воспользоваться результатами относительных измерений, выполняемых с применением более простых устройств.
3. Сформулированные в диссертации условия, касающиеся результатов измерения импеданса полуволновой линейной антенны, расположенной над средой, предлагается использовать при разработке неразрушающего метода контроля качества приготовления (смешения) многокомпонентных смесей в промышленности.
Результаты диссертационного исследования использованы при проведении международных научно-исследовательских работ на кафедре радиоэлектроники и защиты информации ТУСУР, в учебном процессе на кафедре конструирования и производства радиоаппаратуры ТУСУР, а также при разработке антенн в научно-производственной фирме «МИКРАН» (см. Приложение А).
Результаты работы докладывались на Десятой Международной конференции по подповерхностной радиолокации "GPR 2004" (Дельфт, Нидерланды, 2004 г.), Первой Европейской конференции по радиолокации "EuRAD 2004" (Амстердам, Нидерланды, 2004 г.) и Первой Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2006 г.).
По материалам диссертации подготовлено 12 публикаций. Среди них статья в ведущем рецензируемом научном журнале, статья в рецензируемом электронном научном журнале, тезисы доклада и 7 докладов международных научных конференций (в том числе доклад, опубликованный в приложении к ведущему рецензируемому научному журналу), а также 2 отчёта о международных научно-исследовательских работах.
Диссертация содержит 110 страниц, 51 рисунок, 3 таблицы и приложение. Библиографический список включает 65 источников. Основное содержание диссертации изложено в 4 главах.
В первой главе рассмотрены состав и свойства грунта, зависимости диэлектрических параметров грунта от внешних и внутренних факторов, математическое описание этих зависимостей, а также методы исследования диэлектрических свойств грунта в лабораторных и полевых условиях.
Во второй главе представлена известная теоретическая модель, позволяющая рассчитать импеданс линейной антенны, расположенной над горизонтально-слоистой средой параллельно границам раздела слоев. Описаны нераз-рушающие методы измерения толндины и диэлектрической проницаемости верхнего слоя двухслойной среды с использованием ультравысокочастотной линейной антенны.
Третья глава посвящена экспериментальной установке для исследования влияния диэлектрических свойств грунта на импеданс линейной антенны. Основное внимание уделено конструктивным особенностям антенных датчиков для полевых измерений и антенн для лабораторных измерений.
В четвёртой главе изложены результаты экспериментальных исследований влияния диэлектрических свойств подстилающей среды на импеданс линейной антенны.
На защиту выносятся следующие научные положения:
Возможность применения известной теоретической модели для расчёта импеданса ультравысокочастотной линейной антенны, расположенной над горизонтально-слоистой средой параллельно границам раздела слоев, подтверждается соответствием результатов теоретических расчётов экспериментальным данным для частных случаев.
По значению высоты расположения ультравысокочастотной линейной антенны над двухслойной средой, соответствующему экстремальному значению модуля импеданса антенны, можно определять толщину или диэлектрическую проницаемость верхнего слоя среды. В случае, когда известны диэлектрические параметры слоев среды, можно определить толщину верхнего слоя. В случае, когда известны толщина и фактор потерь верхнего слоя, а также диэлектрические параметры нижнего слоя, можно определить диэлектрическую проницаемость верхнего слоя.
При условии, что модуль (или действительная, или мнимая часть) импеданса полуволновой линейной антенны принимает максимальное значение в случае расположения антенны над средой на высоте, существенно отличающейся от 0,28 (или 0,33, или 0,19) длины волны в свободном пространстве, среда не является однородной.
Личный вклад автора состоит в следующем: - определены цель работы и задачи исследования; обоснован выбор оптимальной высоты расположения полуволновой линейной антенны над однородной средой для случаев измерения модуля, действительной и мнимой частей импеданса антенны; сформулированы условия, касающиеся результатов измерения импеданса полуволновой линейной антенны, расположенной над средой, достаточные для вывода о том, что среда неоднородна.
Совместно с Шостаком А. С. автором предложены неразрушагощие методы измерения толщины и диэлектрической проницаемости верхнего слоя двухслойной среды с использованием ультравысокочастотиой линейной антенны.
Автор принимал участие в экспериментальных исследованиях, обработке и анализе экспериментальных данных, обсуждении и систематизации результатов исследований, формировании выводов.
Расчёты импеданса линейных антенн, расположенных над однородными и горизонтально-слоистыми средами, выполнены Шостаком А. С. Антенные датчики для полевых измерений и антенны для лабораторных измерений разработаны Авдоченко Б. И. Первая глава диссертации написана по материалам, предоставленным Загоскиным В. В.
Автор выражает благодарность за помощь в подготовке материала диссертации своим коллегам: доктору технических наук Шостаку А. С, кандидату физико-математических наук Загоскину В, В., кандидату технических наук Авдоченко Б. И,
Математическое описание зависимостей диэлектрических пара метров грунта от внешних и внутренних факторов
Метод закрытых линий состоит в следующем [1]. Однопроводная или двухпроводная линия из медного провода размещается параллельно поверхности земли на глубине 30-50 см и подключается к ВЧ-генератору. При достаточной длине линии в ней устанавливается режим бегущей волны с экспоненциальным спаданием амплитуды тока. Снимая распределение тока вдоль линии с помощью нескольких выведенных на поверхность земли индикаторных отводов, можно определить коэффициент затухания электромагнитной волны. По значениям коэффициента затухания, измеренным для двух длин волн, рассчитываются диэлектрическая проницаемость и электропроводность грунта. Таким образом, данный метод позволяет получать значения диэлектрических параметров грунта, усреднённые по длине линии [1].
Известно, что электромагнитная волна, распространяющаяся вдоль поверхности земли, является эллиптически поляризованной [1]. При этом характеристики эллипса поляризации, (отношение длин полуосей эллипса и угол наклона его большой оси) связаны с диэлектрическими параметрами грунта. Данное обстоятельство было использовано для разработки поляризационного метода измерения диэлектрических параметров грунта.
При определённых условиях [1] для измерений по поляризационному методу используется установка, состоящая из передатчика, симметричного диполя, вращающегося в вертикальной плоское ги, а также измерительного приёмника.
Поляризационный метод применяется в диапазонах средних и высоких частот. Данный метод позволяет получать значения диэлектрических параметров грунта, усреднённые по горизонтали и вертикали [1].
Авторами работы [49] предлагается метод измерения диэлектрической проницаемости однородной среды в диапазоне ультракоротких волн. Для измерения диэлектрической проницаемости среды используется УКВ-генератор, нагруженный на горизонтальный ггалуволновый вибратор. Минимальное значе 26 ниє модуля импеданса вибратора, расположенного над средой, зависит от диэлектрической проницаемости среды. Режим генератора выбран таким, что условия для самовозбуждения генератора выполняются только при минимальном значении модуля импеданса вибратора. Значение диэлектрической проницаемости среды определяется по значению анодного напряжения, при котором генератор самовозбуждается.
В работе [38] рассматриваются вопросы определения диэлектрической проницаемости грунта по результатам измерения его влажности с помощью СВЧ датчиков. Предлагаются два типа датчиков из материала с большой ди электрической проницаемостью и малыми потерями. Датчики обоих типов ра ботают в диапазоне частот 4-6 ГГц и предназначены для введения в грунт на І длительный срок. Принцип действия датчика первого типа основан на свойствах краевого поля пластинчатого диэлектрического волновода с малыми, потерями [38]. Такой датчик обладает хорошей разрешающей способностью при определении влажности грунтов с тонкой структурой и большим содержанием влаги (от 10 до 50% по весу сухого грунта). Объём грунта, исследуемого этим датчиком, составляет 20-40 см .
В датчике второго типа используются электромагнитные волны, излучае t мые клиновидной диэлектрической пластиной [38]. Датчик разработан для крупнозернистых грунтов с небольшой влажностью (от 0 до 10% по весу сухого грунта). Объём грунта, исследуемого этим датчиком, намного превышает размеры частиц грунта. Удовлетворительную разрешающую способность такого датчика можно получить, применяя пространственное или частотное усреднение выходных сигналов датчика.
Экспериментальная установка для определения влажности грунта [38] состоит из модулирующего генератора с частотой 1 кГц, СВЧ-генератора несущей, измерителя мощности, датчика того или иного типа и узкополосного приёмника. По измеренному значению выходного напряжения датчика определяется влажность грунта. Далее по формуле (6) рассчитывается комплексная диэлектрическая проницаемость влажного грунта.
В работе [50] излагаются теоретические основы метода определения диэлектрических параметров слоистой среды по измеренным коэффициентам отражения плоских волн вертикальной и горизонтальной поляризации.
Предполагается, что среда состоит из двух слоев [50]. Верхний слой среды имеет конечную толщину, а нижний - является полупространством. Зондирование среды СВЧ сигналами осуществляется при изменении поляризации, длины волны и угла её падения на поверхность среды. По найденным минимальным значениям коэффициентов отражения и соответствующим им углам падения при наличии априорной информации о толщине верхнего слоя рассчитываются значения диэлектрической проницаемости слоев.
Вышеописанные измерения предлагается проводить с помощью установки [50], состоящей из генератора сигнала с перестраиваемой частотой, передающей и приёмной антенн, измерительного приёмника и поворотно-подъёмного устройства для задания необходимых углов падения волны на поверхность среды.
В работе [2] анализируются результаты теоретических исследований влияния диэлектрических свойств однородной среды на импеданс линейных антенн, находящихся вблизи её поверхности.
Авторы работы [2] приходят к выводу о том, что для измерения диэлектрических параметров однородной среды может применяться как одиночная линейная антенна, так и система из двух линейных антенн. В первом случае измерительная установка состоит из антенны и СВЧ измерителя полных сопротивлений. Во втором случае в состав установки входят генератор сигналов, активная и пассивная антенны, детекторы, аналого-цифровые преобразователи и устройство обработки. При этом информативным параметром выступает модуль отношения тока пассивной антенны к току активной антенны [2]. В работе [3] затрагивается вопрос об эффективности применения одиночной линейной антенны и системы из двух линейных антенн для измерения диэлектрических параметров грунта с равномерным распределением влажности.
Авторы работы [3] отдают предпочтение системе из двух линейных антенн, обеспечивающей более высокую точность измерения влажности грунта по сравнению с одиночной антенной.
В работе [3] приводится методика измерения диэлектрических параметров грунта с равномерным распределением влажности. Данная методика предполагает измерение напряжения на активной антенне при расположении системы антенн над поверхностью грунта на высоте, равной 0,36 длины волны в свободном пространстве. При этом активная антенна возбуждается с помощью генератора тока.
Авторы работы [3] отмечают удовлетворительное соответствие между результатами экспериментального и теоретического исследований влияния влажности грунта на импеданс активной антенны. Установлено, что для определения влажности грунта можно пользоваться одной калибровочной кривой независимо от частоты настройки антенн (в диапазоне 450-2000 МГц) при условии постоянства размеров антенных систем по отношению к длине волны.
Расчёт импеданса полуволновой линейной антенны, расположенной над двухслойной средой
Рассмотрим случай расположения полуволновой линейной антенны над трёхслойной средой. Примем следующие условия расчёта: / = /] = X I 4, с = О, у=0, z = к. Первый и второй слои среды имеют одинаковые толщины: Т2 Т = 5 см. Третий слой является полупространством (Г4 да). Первый и второй слои диэлектрические: s2 = 2,7-0,01-i, s3 = 1,05 -0,001-І. Третий слой проводящий. Антенна настроена на частоту ] 200 МГц: / = 6,25 см. Расчёт импеданса антенны проведём по формулам (10) и (9) в зависимости от высоты расположения антенны над средой.
Результаты расчёта импеданса линейной антенны, расположенной над трёхслойной средой, представлены на рисунке 2,13а,
Зависимости модуля, действительной и мнимой частей импеданса линейной антенны от высоты расположения антенны над трёхслойной средой имеют осциллирующий затухающий характер (см. рисунок 2.13а). Для среды с заданными характеристиками максимальное значение модуля импеданса антенны наблюдается при h = 6,7 см = 0,27-Х, максимальное значение действительной части импеданса - при h = 7,9 см 0,32-Х, максимальное значение мнимой части импеданса - при h = 4,5 см = 0,18 X.
Увеличим толщину первого слоя среды в два раза (Т2 = 10 см) при сохранении остальных условий расчёта неизменными. Результаты расчёта импеданса линейной антенны, расположенной над трёхслойной средой с увеличенной толщиной первого слоя, представлены на рисунке 2.136. Максимальное значение модуля импеданса антенны наблюдается при h = 9,8 см = 0,39-Х, максимальное значение действительной части импеданса - при h 10,9 см = 0,44-Х, максимальное значение мнимой части импеданса - при h 7,9 см = 0,32-Х. В случае однородной среды (см. рисунки 2.2-2.4) при расположении полуволновой линейной антенны над средой на высоте, равной или мало отличающейся от 0,28-Х (или 0,33-Л,, или 0,19-Х), наблюдается максимальное значение модуля (или действительной, или мнимой части) импеданса антенны. В случае горизонтально-слоистой среды (см. рисунки 2.7, 2.8 и 2.13) максимальное значение модуля (или действительной, или мнимой части) импеданса полуволновой линейной антенны может наблюдаться при расположении антенны над средой на высоте, существенно отличающейся от 0,28-Я. (или 0,33-Х, или 0,19-Х). На основании вышеизложенного можно сделать следующий вывод [53]. Если максимальное значение модуля (или действительной, или мнимой части) импеданса полуволновой линейной антенны наблюдается при расположении антенны над средой на высоте, существенно отличающейся от 0,28-Х (или 0,33-Х, или 0,19-Х), то среда не является однородной.
Грунт в естественных условиях характеризуется пространственным распределением диэлектрическим параметров. В каждой точке поверхности грунт описывается вертикальными профилями диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь. Вертикальные профили диэлектрических параметров строятся по результатам исследования образцов грунта, отобранных с различных глубин.
Отбор образцов грунта производится с помощью специального бура. Конструкция бура обеспечивает сохранность структуры грунта в образцах при их отборе. Каждый образец грунта имеет цилиндрическую форму. Диаметр основания образца составляет 50 мм, высота образца равна 10 мм. Каждый образец грунта помещается в герметичный бокс, препятствующий разрушению и высыханию образца в процессе транспортировки.
В лабораторных условиях каждый образец грунта извлекается из бокса и взвешивается на специальных весах. Затем образцы грунта высушиваются при температуре 105 С до постоянной массы, после чего снова взвешиваются. По измеренным значениям массы образцов влажного и сухого грунта рассчитываются значения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь грунта в естественном состоянии.
Определение диэлектрических параметров образцов грунта проводится в предположении, что каждый образец грунта однороден. При этом грунт в области отбора образцов может быть представлен в виде горизонталы-ю-слоистой среды. Каждый слой такой среды соответствует образцу грунта, отобранному с определённой глубины. Вертикальные профили диэлектрических параметров данной среды имеют ступенчатую форму в силу однородности её слоев.
Профили, представленные на рисунках 2.14 и 2.15, построены по результатам измерения диэлектрических параметров образцов дерново-подзолистой почвы, отобранных с глубин от 1 до 11 см [54, 55].
Исследование зависимости модуля импеданса линейной антенны, расположенной над двухслойной средой, от толщины первого слоя среды
Электромеханическая часть экспериментальной установки представлена сканирующим устройством (см. рисунок 3.5), обеспечивающим независимое перемещение антенного датчика по координатам х и у над поверхностью грунта [58].
В состав сканирующего устройства входят продольная и поперечная каретки, шаговые двигатели, концевые выключатели, тросы из диэлектрического материала, направляющие ролики, пружины. Обе каретки снабжены колесиками. Направляющие для перемещения продольной каретки выполнены в виде канавок на верхних гранях длинных сторон рамы, На продольной каретке имеются направляющие для перемещения поперечной каретки. Шаговые двигатели прикреплены к раме. Один шаговый двигатель обеспечивает перемещение антенного датчика в направлении координатной оси X, другой - в направлении координатной оси Y. Для увеличения момента вращения шаговые двигатели снабжены редукторами с коэффициентом замедления 15,25. Экспериментальная установка оснащена концевыми выключателями, необходимыми для остановки кареток в крайних положениях по координатным осям X и Г. Пружины обеспечивают натяжение тросов. Одним концом каждая из пружин прикреплена к тросу, а другим - к продольной каретке или раме экспериментальной установки.
Поперечная каретка снабжена цанговым зажимом для крепления антенного датчика. Высота расположения антенного датчика над поверхностью грунта регулируется перемещением штанги антенного датчика в цанговом зажиме.
При измерении импеданса антенны важно предотвратить провисание проводов антенного датчика. Для фиксации проводов используется стеклотек-столитовый стержень диаметром 8 мм. Концы стержня устанавливаются в пазы, расположенные посередине верхних граней длинных сторон рамы, при этом стержень приобретает дугообразную форму.
Электронная часть экспериментальной установки включает в себя блоки управления шаговыми двигателями, антенный датчик, десятиразрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), контроллер ввода-вывода, портативный компьютер (ноутбук) с соответствующим программным обеспечением.
Конструкция блоков управления шаговыми двигателями обеспечивает возможность перемещения антенного датчика в автоматическом и ручном режимах.
Высокостабильный АЦП предназначен для оцифровывания измеряемого сигнала. Разрядность АЦП выбрана с учётом динамики изменения измеряемого сигнала и уровня присутствующих помех. Контроллер ввода-вывода, выполненный на основе контроллера типа PTC16F876-SP, обеспечивает передачу команд для блоков управления шаговы ми двигателями и передачу данных с АЦП на компьютер. Связь контроллера ввода-вывода с компьютером осуществляется через последовательный интер фейс RS-232. Возможность программного управления экспериментальной установкой реализована благодаря применению компьютера. В качестве программы управления в среде Windows используется программа HyperTerrainal, в среде MS-DOS - программа Telemax. При сканировании в автоматическом режиме антенный датчик из старто вой точки, соответствующей началу координат (см. рисунок 3.3), перемещается над грунтом по зигзагообразной траектории. Максимально возможное переме щение антенного датчика вдоль координатной оси X составляет 170 см, вдоль Р координатной оси 7-90 см. Скорость перемещения антенного датчика в на правлении каждой из координатных осей X и Y задаётся программно в пределах от 0 до 2,5 см/с. Точки над поверхностью грунта, в которых производится измерение импеданса антенны, будем называть точками сканирования. Эти точки задаются программно значением шага сканирования по оси и значением шага сканирования по оси Y. В каждой точке сканирования измерение импеданса антенны выполняется 30 раз. Усреднённый по 30 измерениям результат записывается в память компьютера. При условии, что шаг сканирования но оси X и оси Y составляет 10 см, антенный датчик, перемещаясь над грунтом по зигзагообразной траектории, со 62 вершает 5 проходов в прямом и 5 проходов в обратном направлении вдоль оси X. В этом случае над участком грунта площадью 1,53 м измерения импеданса антенны производятся в 180 точках сканирования, включая стартовую точку. Время сканирования данного участка не превышает 12,5 минут при максимальной скорости перемещения антенного датчика. В ходе сканирования экспериментальные данные выводятся на экран компьютера. После окончания сканирования экспериментальные данные могут быть сохранены в файл для последующей обработки. Для измерения модуля импеданса линейных антенн, настроенных на час тоты 450, 600, 800, 1200, 1500 и 2000 МГц, в полевых условиях использовались антенные датчики. В лабораторных условиях измерения действительной и мнимой частей импеданса линейных антенн целесообразно проводить с помощью измерителя комплексных коэффициентов передачи. В полевых условиях применение измерителя комплексных коэффициентов передачи затруднено, поскольку данному прибору необходимо сетевое питание напряжением 220 В. Поэтому для изме рения модуля импеданса линейных антенн использовались антенные датчики с автономным питанием [59, 60].
Исследование влияния пространственного распределения диэлектрических параметров грунта на модуль импеданса линейной антенны в полевых условиях
Кривые 1 на рисунках 3.14 и 3.15 соответствуют случаю, когда RT - со; кривые 2 - случаю, когда Rr = 1000 Ом; кривые 3 - случаю, когда Rr = 500 Ом; кривые 4 - случаю, когда R,- = 200 Ом; кривые 5 - случаю, когда RT = 50 Ом. Кривые 1-5 построены по результатам расчётов, выполненных с использованием формул (10) и (9).
При удлинении вибратора на 8% от X I 2 максимальное значение модуля импеданса антенны в случае расположения антенны над металлом и RT - да возросло со 117 Ом (см. рисунок 3.11, кривая 1) до 447 Ом (см. рисунок 3.14, кривая 1). Оптимальная высота расположения антенны над средой уменьшилась с 0,28 Х (см. рисунок 3.11, кривая 1) до 0,18-Х (см. рисунок 3.14, кривая 1).
При укорочении вибратора на 8% от X I 2 максимальное значение модуля импеданса антенны в случае расположения антенны над металлом и Rr - со уменьшилось со 117 Ом (см. рисунок 3.11, кривая 1) до 95 Ом (см. рисунок 3.15, кривая 1). Оптимальная высота расположения антенны над средой увели чилась с 0,28-1 (см. рисунок 3.11, кривая 1) до 0,30-Х (см. рисунок 3.15, кривая 1).
С учётом вышеизложенного реализовано следующее техническое решение [59, 60]. Выходное сопротивление генератора синусоидальных сигналов в точке подключения к вибратору увеличено за счёт применения согласующего четвертьволнового трансформатора (см. рисунок 3.16) в качестве симметрирующего устройства. Согласующий трансформатор обладает повышенной симметрией благодаря устройству компенсации тока экрана. Это устройство представляет собой отрезок коаксиального кабеля длиной X I 4, центральная жила которого соединена с оплёткой (экраном). Согласующий трансформатор подключается между выходным каскадом генератора и вибратором.
Благодаря применению согласующего трансформатора величина выходного сопротивления генератора синусоидальных сигналов в точке подключения к вибратору превышает 500 Ом и поэтому слабо влияет на результаты измерения модуля импеданса антенны [59, 60]. С целью компенсации паразитной дополнительной реактивности в точке подключения генератора синусоидальных сигналов к вибратору осуществляется настройка согласующего трансформатора [59, 60]. В процессе настройки уточняется длина согласующего трансформатора.
Настройку согласующего трансформатора проводят на рабочей частоте антенного датчика при отсоединённом вибраторе. В режиме короткого замыкания на выходе согласующего трансформатора, когда центральный проводник кабеля соединён с оплёткой, выставляют нулевой уровень сопротивления (]Z = 0) и нуль фазы (ср = 0) на экране измерителя комплексных коэффициентов передачи (диаграмме Вольперта - Смита). В режиме холостого хода, когда центральный проводник и оплётка разомкнуты, перемещением короткозамыкателя добиваются выполнения следующих условий: Щ = со, р = - 180 .
Для моделирования связи между модулем импеданса линейных антенн, настроенных на различные частоты, и характеристиками сред необходимо добиться выполнения следующих условий. Во-первых, значения импеданса антенн в свободном пространстве должны быть одинаковыми. Во-вторых, зависимости модуля импеданса антенн от отношения высоты расположения над металлом к длине волны должны совпадать друг с другом.
Равенство значений импеданса антенн в свободном пространстве достигается при условии, что диаметр вибратора каждой из антенн равен 0,01 длины вибратора.
Настройка вибратора производится при расположении антенного датчика на оптимальной высоте (hop, = 0,28 ) над листом металла. В процессе настройки уточняется длина вибратора так, чтобы на рабочей частоте датчика действительная часть импеданса антенны составляла от 95 до 100 Ом, а мнимая - от 63 до 67 Ом. Затем проводится измерение действительной и мнимой частей импеданса антенны в свободном пространстве. Если длина вибратора подобрана правильно, действительная часть импеданса антенны должна составлять от 71 до 75 Ом, а мнимая - от 27 до 30 Ом. Выходное напряжение антенного датчика зависит от частоты, уровня сигнала с выхода усилителя мощности, параметров детекторного диода. Получить идентичные характеристики антенн, настроенных на различные частоты, удается за счет регулировки выходного напряжения усилителя мощности и применения индивидуальных масштабирующих усилителей постоянного тока.
Калибровка антенного датчика производится следующим образом. Датчик располагается на оптимальной высоте над листом металла. Посредством регулировки напряжения питания усилителя мощности выбирается положение рабочей точки детекторного диода между линейным и квадратичным участками его вольт-амперной характеристики. Эта процедура позволяет добиться того, чтобы выходное напряжение датчика было пропорциональным отношению ми t нимального значения модуля импеданса датчика к максимальному. Далее с по мощью масштабирующего усилителя постоянного тока выставляется амплитуда выходного напряжения датчика (около 30 мВ), соответствующая значению модуля импеданса датчика, равному 115 Ом.
Проверка калибровки антенного датчика производится, путём сравнения экспериментальной и теоретической зависимостей модуля импеданса антенны от высоты расположения над листом металла. Если датчик откалиброван правильно, наблюдается соответствие экстремумов этих зависимостей. Разброс максимальных значений модуля импеданса при оптимальной высоте располо жения антенны не должен превышать 5%.
На рисунке 3.17 приведены характерные для откалиброванных. датчиков зависимости модуля импеданса антенны от величины отношения h I X при расположении датчиков над металлом [59, 60]. Кривая 1 на данном рисунке соответствует теоретической зависимости, кривые 2 и 3 - экспериментальным зависимостям на частотах 450 и 600 МГц соответственно. Кривая 1 построена по результатам расчёта, выполненного с использованием формул (J 0) и (9).
