Содержание к диссертации
Введение
1 Применение жидких диэлектриков в электронике 10
1.1 Использование воды и водосодержащих сред в качестве методов генерации и усиления колебаний 10
1.2 Методы измерения высоких уровней мощностей 12
1.3 Дисперсия диэлектрической проницаемости 19
1.4 Диэлектрическая проницаемость воды 22
1.5 Диэлектрическая проницаемость водных растворов 28
Выводы по главе 1 34
2 Распространение и прохождение электромагнитной волны в волноводе через слой полярного диэлектрика 36
2.1 Глубина проникновения электромагнитного излучения в воде 36
2.2 Коэффициент отражения электромагнитного излучения от воды 41
2.3 Коэффициент отражения волны в передающей линии, когда нагрузка является полярным диэлектриком 43
2.4 Прохождение электромагнитной волны через слой воды в волноводе 45
2.5 Эффект переотражения от границ раздела 47
2.6 Коэффициент отражения при падении волны на наклонную границу 50
Выводы по главе 2 56
3 Моделирование прохождения электромагнитной волны через слой воды 58
3.1 Постановка задачи для численного моделирования 58
3.2 Расчет пустого прямоугольно волноводного тракта 60
3.3 Расчет прямоугольного волноводного тракта, заполненного слоем полярного диэлектрика. Нормальное падение электромагнитной волны 63
3.4 Волна в волноводном тракте при наличии слоя диэлектрика с наклонной границей раздела 71
Выводы по главе 3 78
4 Экспериментальное определение диэлектрических характеристик воды 79
4.1 Постановка эксперимента 79
4.2 Погрешности измерений 82
4.3 Результаты экспериментальных исследований
4.3.1 Экспериментальное определение поглощения и отражения в зависимости от толщины слоя при нормальном падении волны на границу раздела 84
4.3.2 Экспериментальное определение угла полного согласования для нагрузки в виде слоя воды, помещенного в волновод 87
4.3.3 Сравнение результатов эксперимента с данными расчетов 89
Выводы по главе 4 91
5 Прохождение волн в волноводе через тонкий слой глицерина 93
5.1 Диэлектрическая проницаемость глицерина 93
5.2 Глубина проникновения и коэффициент отражения электромагнитного излучения для глицерина 95
5.3 Экспериментальные исследования глицерина 97
Выводы к главе 5 99
Заключение 100
Определения, обозначения и сокращения 102
Список использованных источников
- Дисперсия диэлектрической проницаемости
- Коэффициент отражения волны в передающей линии, когда нагрузка является полярным диэлектриком
- Расчет прямоугольного волноводного тракта, заполненного слоем полярного диэлектрика. Нормальное падение электромагнитной волны
- Экспериментальное определение поглощения и отражения в зависимости от толщины слоя при нормальном падении волны на границу раздела
Введение к работе
Актуальность исследования. Развитие современной науки и расширение областей ее применения тесно связано с совершенствованием методов исследований и разработкой новых радиоэлектронных приборов, основными элементами которых являются электронные устройства различных типов. В свою очередь, расширение области применения радиоэлектронных устройств и выполняемых ими функций требует освоение новых частотных диапазонов, разработки генераторов и усилителей в терагерцовом диапазоне длин волн электромагнитного излучения, что ставит задачи поиска нетрадиционных путей в создании элементной базы. С укорочением длины волны существенно уменьшаются габариты приборов и уровни их рабочих мощностей, в результате чего практически невозможно получить приемлемые параметры таких приборов. Сложно уменьшать габариты приборов в иных частотных диапазонах (сверхвысокочастотном, диапазоне крайне высоких частот), хотя вопросы их миниатюризации также актуальны. Поэтому представляет интерес изучение процессов в иных системах, где процессы движения заряженных частиц используются как элементы преобразования видов энергии одну в другую, и использование в электронике нетрадиционных материалов.
Так в последнее время появились исследования, связанные с использованием воды или водосодержащих растворов в качестве элементов, позволяющих производить генерирование электрических колебаний, включающее воздействие электрическим полем на жидкую среду, помещенную между двумя электродами.
Особого внимания «заслуживает анализ эффекта «переизлучения» – способность предварительно облученной полярной жидкости излучать электромагнитные волны в течение некоторого времени после прекращения облучения на частоте обучения, т.е. «памяти воды», которая проявляется после предварительного воздействия на неё КВЧ и ТГц волн. Иными словами, вода «помнит» факт её облучения и после выключения генератора выполняет функцию генератора КВЧ и ТГц волн в течение некоторого времени».
Кроме того, вода широко используется в качестве элементов для измерения больших уровней мощности в сверхвысокочастотном диапазоне. Калориметрический метод позволяет измерять СВЧ мощность от сотен микроватт до десятков и сотен киловатт. К примеру, в 1965 г., академиком АН СССР П. Л. Капицей при создании ниготрона в качестве нагрузки использовалась вода, а мощность излучения при этом достигала 300 кВт, однако, технических характеристик нагрузки представлено не было. В калориметрических ваттметрах содержится жидкость, играющая роль переносчика тепла от рабочего тела во внешнюю среду. Если для этих целей используют дистиллированную воду или растворы на ее основе, то в силу ее большой поглощающей способности на частотах свыше 500 МГц она может одновременно играть роль объемного поглотителя мощности СВЧ в приемных преобразователях (калориметрических нагрузках) и является, таким образом, рабочим телом калориметра. По этой причине, важно знать, как ведут себя физические свойства воды в данном диапазоне частот.
Вопросы распространения волн сверхвысоких частот в воде и других полярных диэлектриках также являются актуальными при воздействии на биологические среды, при изучении контрафактной продукции, в спектроскопии и т.д.
Несмотря на то, что изучению характеристик воды посвящено много работ, в значительной части эти исследования охватывают только принятые модели диэлектрической проницаемости, не учитывая распространения электромагнитных волн, а исследования распространения радиоволн в воде и водных растворах проведены только для свободного пространства.
В СВЧ, миллиметровом диапазонах, в которых основой устройств канализации волн служат замкнутые области - волноводы, результаты исследований распространения радиоволн в воде и водных растворах практически отсутствуют. Особенности характеристик воды, как других полярных диэлектриков, требуют дополнительного изучения, что и обуславливает актуальность поставленной работы.
Степень разработанности темы исследования. В связи с достаточно большим периодом времени, в течение которого изучаются свойства воды, накоплен большой объем материала. Отдельно изучением частотной зависимости диэлектрической проницаемости воды и полярных диэлектриков занимались такие ученые как: С. Гаврильяк, П. Дебай, Д. Дэвидсон, К. Коул, Р. Коул, С. Негами, Г. Фрелих, В. Эллисон. В значительной части эти исследования охватывают только принятые модели частотной зависимости диэлектрической проницаемости и не учитывают распространения радиоволн.
Изучением генерации электромагнитной энергии водой и водосодержащим слоем занимались Н. И. Синицын, В. А. Ёлкин, О. В. Бецкий, А.С. Козьмин, Ю. Г. Яременко. Л.Д. Гапочка, М.Г. Гапочка, А.Ф. Королев, Ими доказано наличие «памяти» воды и показаны возможности переизлучения электромагнитных колебаний в диапазоне КВЧ.
Больше количество исследований распространения радиоволн в воде и водных растворах (которые являются полярным диэлектриком) в свободном пространстве описано в работах О. Калла, А. Кляин, Н. Джеббор, А. Стогрин и др.
Все это свидетельствует о постоянном интересе к воде как особой жидкости, обладающей нестандартными характеристиками, как веществу, возможности, использование которого далеко не исчерпаны.
Целью исследования является изучение механизмов распространения, поглощения и отражения электромагнитного излучения сверхвысокочастотного диапазона в волноводах при наличии тонких пленок полярных диэлектриков с целью изучения возможности их использования в интересах физической электроники как диэлектрической среды для различных целей.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
определить основные модели дисперсии комплексной диэлектрической проницаемости для двух типов полярных диэлектриков;
получить теоретические зависимости коэффициентов отражения и поглощения в тонких пленках в волноводе от частоты излучения;
провести численные расчеты на цифровой электродинамической модели распространения электромагнитных волн в воде;
- провести экспериментальные исследования распространения волн в
волноводах с помещением внутрь слоем разной толщины с водой или глицерином
и при различных углах падения.
Научная новизна работы заключается в следующем:
выведены соотношения для расчета коэффициентов отражения и поглощения СВЧ мощности от частоты от границы воздух - слой полярного диэлектрика при непосредственном размещении неоднородности в волноводном тракте;
получены зависимости изменения коэффициента отражения от угла падения электромагнитной волны для воды и некоторых типов полярных диэлектриков, а также получены углы полного согласования таких систем;
впервые получены трехмерные картины распределения электрического поля, а также распределение мощности волны внутри волновода при наличии границы раздела воздух-вода с разными углами наклона;
теоретически и экспериментально доказана возможность согласования волноводного тракта с тонкими диэлектрическими пленками полярных диэлектриков.
Научная и практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты помогают понять процессы распространения электромагнитных волн сверхвысокочастотного диапазона в полярных жидких диэлектриках, что имеет место в таких областях как физическая электроника, химия, медицина, биофизика, геофизика, нефтепромысел и т.д. Высокие значения диэлектрических характеристик воды в сверхвысокочастотном диапазоне, а также ее аномальные свойства, позволяют использовать воду как источник вторичного излучения в сверхвысокочастотном и крайне высокочастотном диапазонах, в виде активной нагрузки для отвода или измерения высоких уровней мощностей электронике.
Методы определения коэффициентов отражения и поглощения позволяют определить значения диэлектрической проницаемости и времени релаксации. Кроме того, разница диэлектрических характеристик может быть использована также при определении контрафактной продукции жидкостей и растворов в фармакологической промышленности и медицине.
Методы исследования
В работе использовались экспериментальные методы определения коэффициента отражения на основе определения падающей и прошедшей мощности; экспериментальные определения коэффициента стоячей волны методами «максимума-минимума» и «удвоенного минимума». Для расчета электромагнитного поля внутри волноводного тракта использован метод конечных интегралов и методы компьютерного моделирования с использованием специализированного программного обеспечения CST Microwave Studio.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
По области исследования диссертация соответствует специальностям 01.04.04 «Физическая электроника» (пункт 4 - «Физические явления в твердо-
тельных микро- и наноструктурах, молекулярных структурах и кластерах; проводящих, полупроводниковых и тонких диэлектрических пленках и покрытиях».
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Аналитические расчеты коэффициентов поглощения и отражения, зависимости их от толщины слоя и условий согласования с волноводным трактом тонких пленок воды и глицерина.
-
Результаты цифрового электродинамического моделирования распространения волн в волноводе с расположенным в нем слоем полярного диэлектрика.
-
Результаты экспериментальных исследований по определению коэффициентов поглощения и отражения, зависимости их от толщины слоя и условий согласования с волноводным трактом тонких пленок воды и глицерина, подтверждающих теоретические выводы.
Достоверность результатов исследования обусловлена корректной постановкой экспериментальных исследований при статистической обработке результатов эксперимента, строгой аналитической аргументацией полученных теоретических положений с использованием классических физических законов, достаточным количеством результатов численных расчетов, коррелирующих с экспериментальными и литературными данными.
Апробация результатов. Результаты исследований докладывались на семинарах кафедры Физики ВолгГТУ (2012 – 2015 гг.), на XVI и XVIII Региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2011 г., 2014 г.), на 24-ой Международной конференции. «СВЧ – техника и телекоммуникационные технологии», Севастополь, (2016 г.), на Международной научно-практической конференции «Новая наука: опыт, традиции, инновации» (2016 г.), на Международной научно-практической конференции "Тенденции и перспективы развития науки XXI века" (2016 г.)
Публикации. Всего – 11 научных работ, из которых 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 1 статья в иностранном журнале и 5 тезисов докладов.
Личный вклад автора. В соответствии с задачами, поставленными научным руководителем, автор принимал непосредственное участие в цикле экспериментальных исследований и принял участие в обсуждении результатов, провел анализ современных моделей диэлектрической проницаемости полярных диэлектриков, самостоятельно выполнил расчеты и проанализировал результаты численных расчетов характеристик полярных жидкостей в волноводе. В опубликованных в соавторстве работах автору принадлежат: экспериментальные исследования коэффициентов отражения, условий согласования и величины затухания для воды и глицерина, а также получены выражения для расчетов коэффициента отражения и величины затухания при помещении полярного диэлектрика в вол-новодный тракт. [1,2,3,4,5]
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы. Общий объем составляет 111 страниц, включая 60 рисунков и 180 формул, 3 таблицы. Список литературы содержит 87 наименований.
Дисперсия диэлектрической проницаемости
Существуют исследования по генерации электрических колебаний с помощью полупроводников и жидких диэлектриков. В частности, в патенте Барышева М. Г. и Ломакиной Л. В. [41] предлагается способ генерации, реализующий воздействие электрическим полем на жидкую среду, помещенную между двумя электродами. В качестве жидкой среды используют белковые растворы на основе веществ, имеющих водородные связи (водные или водно-спиртовые растворы). Но опять же, при воздействии электрическим полем не изучаются вопросы прохождения, отражения и поглощения ЭМИ водными растворами. Все исследования носят экспериментальный характер.
Отдельно стоит выделить работы Н. И. Синицына и В. А. Ёлкина, которыми был получен эффект генерации электрической энергии тонким водосодержащим слоем [54-56].
Суть сделанного открытия состоит в том, что тонкий слой чистой воды (под которым понимаются водосодержащие слои толщиной порядка миллиметра, долей миллиметра и тоньше, вплоть до долей микрона, единиц и долей нанометра) при определенных условиях становится источником ЭДС, от которого можно получить электрическую энергию. Чтобы создать эти условия необходимо, чтобы, во-первых, слой воды с двух противоположных сторон был окружен двумя поверхностями слоев из проводящего материала. Причем, чтобы избежать возможности изменения химического состава воды, эти проводящие слои должны состоять из нерастворимого в воде материала. Во-вторых, проводящие поверхности слоев, контактирующих с водосодержащим слоем, должны иметь микро- или наноразмерные структурные неоднородности в виде выступов или впадин или микро- или наноразмерные параметрические неоднородности. Тогда между проводящими слоями этой системы возникает разность потенциалов. Если же к проводящим слоям системы подключить электрическую нагрузку, то протекающий в этой нагрузке ток, приводит к выделению электрической энергии. Обнаруженный эффект называется также водоэлектрическим эффектом. Эффект обусловлен структурированием водной среды, которое начинается в наведенном неоднородном электрическом поле у поверхности микро- или наноразмерных структурных или параметрических неоднородностей, контактирующих с наночастицами в водной среде, с молекулами воды – постоянными диполями. Наведенное неоднородное электрическое поле приводит не только к структурированию водной среды, но также к разделению и переносу противоположно заряженных компонентов водной среды на противолежащие проводящие поверхности слоев, окружающих водосодержащий слой.
При этом особо отмечается, что проводящие слои, ограничивающие водо-содержащий слой, могут не полностью состоять из проводящего материала. Для достижения водоэлектрического эффекта достаточно, чтобы их поверхности, контактирующие с водосодержащим слоем, имели проводящие включения, которые бы в каждом слое (и в первом, и во втором) были бы объединены в единую электрическую шину.
Эксперименты проводились на углеродных, кремниевых, стеклоуглеродных и диоксид ванадиевых микро- и наноструктурах, а также на микроструктурах из золота, хрома и ряда других нерастворимых в воде металлов, заключающих между собой тонкие, порядка 100 микрон и тоньше, слои бидисциллята воды при площади контакта с водой порядка 1 сантиметра квадратного. При выходном напряжении от 7-15 мВ и до 500 мВ ток в электрической нагрузке от 5-10 нА до 6000 нА.
Наиболее распространенным видом измерения СВЧ мощности, является измерение поглощаемой мощности. В данном случае приемный преобразователь является согласованной нагрузкой, которая подключается в конце передающей линии. В зависимости от вида приёмных преобразователей используются различные методы измерения поглощаемой мощности.
Известно, что ваттметры делятся на три типа по уровню измеряемой мощности: ваттметры малой мощности (до 10 мВт); ваттметры средней мощности (свыше 10 мВт до 10 Вт; ваттметры большой мощности (свыше 10 Вт до 10 кВт) [14]. Существует множество методов измерения мощностей: тепловые, метод вольтметра, метод с использованием частотно-избирательных ферритовых элементов. Однако, для измерения высоких значений мощности СВЧ сигнала (до 10 кВт) используются, в основном, тепловые ваттметры, в частности, калориметрические методы измерения мощности [11].
Тепловые методы основаны на преобразовании энергии СВЧ в тепловую с последующим измерением приращения температуры рабочего тела, в котором происходит преобразование, или величины замещающей мощности низкой частоты или постоянного тока, вызывающей эквивалентное приращение температуры рабочего тела.
Применение калориметрического метода для измерения СВЧ мощности является частным случаем его использования в области физических исследований. Широкое применение этого метода оправдано простотой превращения энергии электрического тока в теплоту. Устройство калориметрических ваттметров СВЧ весьма разнообразно и определяется в основном уровнем мощности, диапазоном частот и требуемой точностью.
Все калориметрические измерители мощности делятся на две группы: калориметры с переменной температурой, в которых мощность определяется по изменению температуры рабочего тела калориметра, и калориметры с постоянной температурой. При этом, калориметрические ваттметры также могут делиться как на статические, так и на проточные. В статических приборах, рабочее тело приемного преобразователя, где энергия СВЧ колебаний превращается в тепловую, неподвижно и в процессе измерения не изменяет формы и физических свойств.
Коэффициент отражения волны в передающей линии, когда нагрузка является полярным диэлектриком
Для решения задачи о распространении электромагнитных волн в волноводе с диэлектриком необходимо решить двумерные уравнения Гельмгольца в различных областях волновода [1], в частности, в пустом волноводе и в волноводе, заполненным диэлектриком, а также записать граничные условия связывающие данные уравнения. - циклическая частота, с - скорость света, ст - критическая длина волны, -комплексная диэлектрическая проницаемость описываемая уравнениями (1.16)-(1.26), - комплексная магнитная проницаемость, принята равной единице.
Граничные условия определяются равенством нулю тангенциальных компонент напряженности электрического поля на металлическом контуре [1], а также непрерывность тангенциальных составляющих компонент напряженностей электрического и магнитного полей на границе раздела диэлектрических сред [1]: (3.5) (3.6) при х =а и у = Ъ (3.7) (3.8) где E – тангенциальные составляющие вектора напряженности электрического поля, H – тангенциальные составляющие вектора напряженности магнитного поля на границе раздела. Рассмотрим непрерывность касательных составляющих напряженности электрического поля В случае, когда поверхность раздела имеет наклон, тангенциальная составляющая в области «I» (рисунок 2.6) имеет вид: ( 3.9) где – угол падения. Тангенциальная составляющая в области «II» волны: (3.10) где – EII вектор напряженности электрического поля образованный в результате преломления вектора падающей волны EI, – угол преломления. Для магнитного поля тангенциальные составляющие описываются уравнением (3.8).
Данную задачу можно решить численно. В настоящее время, существует достаточно большое количество специализированного программного обеспечения, использующего различные численные методы.
В данной работе, для решения задачи прохождения электромагнитных волн СВЧ через диэлектрическую среду и создания цифровой электродинамической модели выбран программный комплекс CST Mircowave Studio.
CST Microwave Studio – это мощный комплекс, предназначенный для трехмерного моделирования объектов разнообразной формы. Базовый метод расчета в CST Microwave Studio – метод конечного интегрирования – является методом пространственной дискретизации, в котором пространство задачи разбивается на дискретные ячейки. При этом в решающем устройстве реализуется метод конечных разностей во временной области как частный случай метода конечного интегрирования. Алгоритм решения современных задач с физическим содержанием сводится к точному моделированию физических процессов, таких как распространение электромагнитных волн, тепловые явления, движение частиц.
Задача заключается в электродинамическом расчете пустого волноводного тракта, получением частотной зависимости величин поглощения и отражения, а также картины распределения электрического поля внутри волноводного тракта. Исходными данными для построения электродинамической модели являлись: - исследуемый диапазон частот; - геометрические размеры волноводного тракта; - геометрические размеры тонкого слоя воды; - граничные условия на стенках волноводного тракта. Геометрическая модель волновода представляет собой параллелепипед со следующими размерами: высота – 10 мм; ширина – 23 мм; длина – 220 мм.
Геометрическая модель волноводного тракта Для моделирования распространения электромагнитной волны в волновод-ном тракте, в качестве источника возбуждения использован Waveguide Port, пред 61 ставляющий собой поверхность, через которую сигнал вводится или выводится из геометрической структуры. Waveguide Port назначен границам волноводного тракта на его концах в точках по Z = 0 и 220 мм.
Граничные условия определяют поле на поверхностях объектов в области анализа. Принято, что стенки волновода изготовлены из идеальной проводящей поверхности (металл).
Так как считается, что волна распространяется в воздухе, то внутри волновода задан материал «воздух» с относительной диэлектрической и магнитной проницаемостью, равными 1.0.
После того, как геометрия, граничные условия и материалы модели заданы, необходимо задать параметры адаптивного анализа, который позволяет повысить точность решения за счет формирования сетки и ее уплотнения там, где поле претерпевает резкое изменение, уменьшая вычислительные затраты при улучшении точности решения.
Для расчета используется частота излучения 10 ГГц, максимальное число циклов измельчения сетки – 6.
Расчет производится в частотном диапазоне от 8 до 12 ГГц. Волновод считается согласованным с обеих сторон. В качестве выходных параметров получены значения КСВН и величины поглощения. Результаты расчетов приведены на рисунках 3.3 - 3.5
Результаты расчетов не противоречат действительности. Так, из рисунка 3.3 видно, что значения поглощения (сплошная линия) на всем диапазоне частот колеблются вблизи нуля, поскольку внутри волновода нет элементов, поглощающих энергию. Максимумы и минимумы обусловлены машинной погрешностью расчета. Аналогичная ситуация наблюдается для значений КСВН (пунктирная линия). Значения КСВН для пустого волновода составляют порядка 1.
Данный расчет проведен специально, для достоверности того, что все параметры волновода заданы правильно и в него можно помещать водосодержащую среду.
Вид электрического поля внутри пустого волноводного тракта На рисунке 3.4 представлено распределение электрического поля внутри пустого волноводного тракта. Красным на рисунке показано максимальное значение и положительное направление вектора электрического поля, зеленым – нулевое значение электрического поля, синим – минимальное значение и отрицательное направление вектора электрического поля. Из рисунка видно, что в волноводе распространяется основной тип волны H10.
На рисунке 3.5 показана плотность потока мощности внутри волноводного тракта. Максимальное значение потока (красный цвет - 9718 Вт/м2), наблюдается в центре широкой стенки волноводного тракта и постоянно на всей протяженности. Зеленый цвет соответствует нулевому значению мощности. Таким образом, видно, что мощность проходит через весь волноводный тракт без изменений. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что данная модель пригодна для помещения в нее тонкого диэлектрического слоя.
Расчет прямоугольного волноводного тракта, заполненного слоем полярного диэлектрика. Нормальное падение электромагнитной волны
Поглощение электромагнитной энергии в классическом случае подчиняется экспоненциальному закону eaz, где а - коэффициент затухания, характеризующий потери на единицу длины, и который определяется для сплошной среды. При наличии существенных отражений речь должна идти скорее о прохождении электромагнитной энергии через слой диэлектрика, чем о чистом поглощении. Оче 74 видно, что только при согласовании высокочастотного тракта с нагрузкой, в роли которой выступает диэлектрический слой, можно говорить о потерях в среде. При моделировании такого процесса, однако, под поглощением следует понимать именно отношение величин падающей и прошедшей мощностей. Для примера на рисунке 3.18 показано, как изменяется величина поглощения в зависимости от угла падения волны.
В случае, когда угол стремится к 8 градусам, поглощение резко уменьшается от значения -16 дБ до -3 дБ, что указывает на факт сильного влияния отражения на вопросы прохождения электромагнитных волн через слой воды.
Увеличение объема воды эквивалентно увеличению толщины диэлектрического слоя, что приводит к росту поглощения электромагнитной энергии. Уменьшение амплитуды напряженности электромагнитного поля на частоте 10 ГГц в е раз соответствует затуханию в 4,34 дБ. Поскольку для воды коэффициент затухания составляет а =0,454, при полном согласовании тракта величина поглощения электромагнитной энергии равна 22,5 дБ, что достаточно близко соответствует результатам вычисления в данной модели (Рисунок 3.19).
Все это подтверждает, что даже небольшой и согласованный слой воды может выступать хорошей поглощающей нагрузкой.
На рисунке 3.20 показан вид электрического поля внутри волноводного тракта с тонким диэлектрическим слоем воды в случае, когда угол наклона составляет 8 градусов, а объем жидкости 460 мм3. Графическое изображение поля не менялось и соответствует тем же обозначениям, что и в предыдущих разделах. Таким образом, видно, что в данном случае волна проходит практические без поглощения. Вид электрического поля внутри волноводного тракта с водой (объем жидкости – 1150 мм3, частота - 10 ГГц, угол наклона – 8 градусов)
Следует также отметить, что при падении электромагнитной волны на наклонную диэлектрическую поверхность, вектор электрического поля испытывает преломление, соответственно, кроме распространяющейся y-компоненты электрического поля (считается, что в волноводе распространяется волна H10), возникает также z-составляющая, направленная в сторону распространения волны. Кроме того, магнитное поле также испытывает изменение.
Кроме существующих x- и z-составляющих вектора напряженности магнитного поля, возникает также y-составляющая. В результате, изменение напряженности магнитного поля составляющих y и z, возникает также x-составляющая вектора напряженности электрического поля. Таким образом, в диэлектрике имеет место распространения смешанного типа электромагнитной волны со всеми составляющими напряженности электрического и магнитного поля. После выхода волны из диэлектрика, ввиду того, что вектора принимают свои начальные компоненты, в волноводе продолжает распространяться волна H10.
Данное замечание подтверждается результатами моделирования. На рисунке 3.22 показана проекция вектора напряженности электрического поля на боко 77 вую поверхность волновода. Из рисунка видно, что на границе раздела возникает максимум и минимум вектора напряженности электрического поля (красный – максимум, положительное направление; синий цвет – минимум, отрицательное направление; зеленый – ноль).
Величина поглощения от толщины водяного слоя при нормальном падении волны, имеет линейную зависимость, причем поглощение на 1 мм уже имеет достаточно высокое значение – 15 дБ.
Коэффициент отражения при нормальном падении также высок, как и при аналитических расчетах – порядка 70%, а уменьшение угла наклона поверхности раздела до 8 градусов снижает коэффициент отражения до нуля.
В данном случае, для объема жидкости 460 мм3, поглощение составляет не 15-16 дБ, как при нормальном падении, а всего лишь 2 дБ. Следовательно, через данный объем воды проходит мощности в 20 раз больше, чем в случае нормального падения.
В наклонном диэлектрике, возникает смешанный тип волн, появляется x-составляющая вектора напряженности электрического поля, направленная перпендикулярно малой стенки волноводного тракта. Изменение структуры поля, вызванное преломлением волны в диэлектрической среде, обуславливает дополнительные потери в тракте.
Экспериментальное определение поглощения и отражения в зависимости от толщины слоя при нормальном падении волны на границу раздела
Вода является далеко не единственным ярким примером полярных диэлектриков. Такое вещество как глицерин также относится к данному виду. Глицерин — простейший представитель трёхатомных спиртов, представляет собой сиропообразную, бесцветную жидкость без запаха и сладковатого вкуса. Он широко распространен в природе и выполняет ряд важных функций в обмене веществ живых и растительных клеток. Глицерин является основной составной частью жиров, масел и разнообразных липидов, которые, в свою очередь, входят в структуру клеточных мембран, которые определяют функции проницаемости их для ионов, неэлектролитов и воды. [51, 82]
Молекула глицерина полярная, следовательно, как и для всех полярных молекул, при наложении внешнего переменного электрического поля, будут иметь место частотные зависимости диэлектрических свойств глицерина.
Вопросам диэлектрических свойств глицерина в настоящее время посвящено много работ [46, 52, 65, 67, 68, 69, 76, 79, 80]. Одними из первых работ являются исследования Р. Коула и Д. В. Дэвидсона в 1950 году. В своей работе они утверждают, что диэлектрическая поляризация в глицерине лишь частично описывается кривыми Дебаевского типа, а также приводят результаты измерений диэлектрической проницаемости для диапазона температур от 0 до -75 оС.
Экспериментальные результаты показали [69], что зависимость мнимой " от вещественной частей диэлектрической проницаемости не является симметричной, как в случае с водой, а соответствует скошенной дуге. Коулом и Дэвидсоном было предложено другое эмпирическое уравнение для определения комплексной диэлектрической проницаемости: где - значение диэлектрической проницаемости при бесконечной большой ча стоте изменения внешнего переменного электрического поля, - статическая ди электрическая проницаемость, - время релаксации, - циклическая частота, – параметр, учитывающий отклонение от Дебаевского уравнения. Данный параметр слабо изменяется с температурой. Отклонение диаграммы Коул-Коула от симметричности может быть объяснено тем, что время релаксации дипольных моментов не подчиняется экспоненциальному закону. Следует отметить, что данная формула является эмпирической и физический смысл коэффициента остается неизвестным, однако имеется большое количество исследований [46, 52, 65, 67, 68, 69, 76, 79, 80], подтверждающих данное выражение, в том числе исследований глицерина.
Из анализа исследований, проведенных другими авторами, можно сделать вывод, что для глицерина коэффициент, отвечающий за отклонение времен релаксации от экспоненциального закона, лежит в области от 0.6 до 0.66. Остальные параметры приняты следующими [83] , , . На рисунке 5.1 приведены результаты расчетов по формуле Коула-Дэвидсона (5.1) при различных коэффициентах , и в том числе, когда = 1, т.е. в случае, когда имеют место формулы Дебая.
Как было показано в главе 2, для полярных диэлектриков, когда имеют место диэлектрические потери, глубина проникновения определяется формулой (2.20). С учетом значений диэлектрической проницаемости для глицерина, имеем зависимости показанные на рисунках 5.2 и 5.3. Сравнение полученных графиков с расчетами для воды показывает, что глубина проникновения электромагнитного излучения в глицерин в 2-3 раза выше, а сам коэффициент затухания – практически на порядок ниже. Следовательно, глицерин является веществом, поглощающим электромагнитное излучение слабее чем вода.
Рассмотрим коэффициент отражения по мощности, в случае, когда тонкий слой глицерина (толщиной 1 мм) находится в волноводе. Для этого воспользуемся формулой (2.46) с учетом диэлектрической проницаемости глицерина. Результаты расчета показаны на рисунке 5.4.
Зависимость коэффициента отражения электромагнитного излучения от частоты излучения в глицерине Из графика видно, что в данному случае, коэффициент отражения по мощности для глицерина в 3-3.5 раза ниже, чем для такого же тонкого слоя воды, а также на частоте около 10 ГГц имеется минимум отражения.
И наконец, найдем условия, когда нагрузка в виде глицерина согласована с волноводным трактом. Для этого воспользуемся формулой (2.96), с учетом комплексной диэлектрической проницаемости глицерина. Результаты показаны на рисунке 5.5. Рисунок 5.5 – Зависимость коэффициента отражения электромагнитного излучения от угла падения Угол полного согласования для глицерина составляет порядка 20 градусов, что также отличается от воды.
Таким образом, полученные результаты говорят о том, что условия для прохождения электромагнитных волны через тонкий слой глицерина, на много лучше условий для точно такого же слоя воды.
Экспериментальные исследования глицерина Как в случае с водой, для глицерина также проведен ряд экспериментов по определению величины затухания и коэффициента отражения. Измерения также проводились с помощью панорамного измерителя ослабления и КСВН Р2-61. Использовались те же самые кюветы с набором углов наклона 90, 75, 60, 45, 30, 15 и 8 градусов.
Результаты экспериментов показаны на рисунках 5.6 - 5.7. Из результатов экспериментов видно, что при наклоне стенки кюветы примерно 15 градусов, наступает полное согласование системы, КСВН не превышает значения 1.2, что соответствует коэффициенту отражения по мощности 1%, а величина поглощения в данном случае падает до 1,3 дБ.
Зависимость величины поглощения от угла падения электромагнитной волны для глицерина Таким образом, эксперимент также подтверждает то, что условия для прохождения электромагнитных волны через тонкий слой глицерина, на много лучше условий для точно такого же слоя воды. Выводы к главе 5 Анализ источников литературы показывает, что для глицерина значения вещественной и мнимой части диэлектрической проницаемости определяются соотношением Коула-Дэвидсона, а не формулой Дебая как для воды. Глубина проникновения электромагнитного излучения в глицерин в 2-3 раза выше, а сам коэффициент затухания – практически на порядок ниже. Коэффициент отражения по мощности для глицерина в 3-3.5 раза ниже, чем для такого же тонкого слоя (1 мм) воды, а также на частоте около 10 ГГц имеется минимум отражения. Экспериментальные исследования подтверждают аналитические расчеты и говорят о том, что условия для прохождения электромагнитных волны через тонкий слой глицерина, на много лучше условий для точно такого же слоя воды.