Содержание к диссертации
Введение
1. Радиоволновые методы контроля параметров диэлектриков
1.1. Измерение параметров диэлектриков на СВЧ. Общие сведения 10
1.2. Основные принципы расчёта диэлектрической проницаемости в радиоволновом методе 17
1.3. Структура установок радиоволнового метода измерения диэлектрической проницаемости 21
1.4. Антенная система внешнего измерительного канала установки радиоволнового метода 31
1.5. Методическая погрешность измерения, обусловленная зоной Френеля антенн внешнего измерительного канала и возможные пути её снижения 36
1.6. Постановка задач исследования 42
Выводы 46
2. Математическая модель радиоволнового метода измерения диэлектрической проницаемости листовых материалов
2.1. Особенности моделирования 47
2.2. Модель измерительной апертурной антенны 48
2.3. Модель поля при падении сферической волны точечного источника на плоский слой диэлектрической среды 56
2.4. Падение волн, излучаемых апертурной антенной, на плоский диэлектрический лист в зоне Френеля 62
2.5. Модель измерительной системы 67
2.6. Полная математическая модель внешнего канала 76
Выводы 77
3. Математическое моделирование внешнего измерительного канала установки радиоволнового метода
3.1. Общие сведения о машинном моделировании 79
3.2. Вычислительная машина и программное обеспечение для моделирования внешнего измерительного канала радиоволнового метода 80
3.3. Моделирование внешнего измерительного канала с рупорными антеннами 85
3.4. Результаты моделирования внешнего измерительного канала установки радиоволнового метода с рупорными антеннами 90
3.5. Моделирование внешнего измерительного канала установки радиоволнового метода с рупорными антеннами для некоторых случаев 100
3.6. Моделирование внешнего измерительного канала установки радиоволнового метода с фокусирующими антеннами 104
Выводы 110
4. Экспериментальные исследования внешнего измерительного канала радиоволнового метода
4.1. Назначение экспериментальных исследований 112
4.2. Экспериментальные измерительные установки радиоволнового метода 113
4.3. Принципы работы 8-мм измерительной установки радиоволнового метода 118
4.4. Антенны внешнего измерительного канала установки радиоволнового метода 130
4.5. Конструкция 8-мм измерительной установки радиоволнового метода 138
4.6. Экспериментальные исследования внешнего измерительного канала установки радиоволнового метода 141
4.7. Сравнение результатов математического и физического моделирования 148
Выводы 151
Заключение 153
Литература 156
Приложения 167
- Антенная система внешнего измерительного канала установки радиоволнового метода
- Модель поля при падении сферической волны точечного источника на плоский слой диэлектрической среды
- Вычислительная машина и программное обеспечение для моделирования внешнего измерительного канала радиоволнового метода
- Антенны внешнего измерительного канала установки радиоволнового метода
Введение к работе
Актуальность. Диэлектрические материалы имеют важное значение при изготовлении различных компонентов радиотехнических систем. Общие характеристики радиосистем зависят от свойств применяемых в них диэлектриков. Поэтому исследование и контроль параметров диэлектрических материалов в настоящее время играют решающую роль при построении радиотехнических систем разной сложности. Особое внимание следует уделять исследованию поведения диэлектриков при внешних воздействиях, поскольку при изменениях параметров внешней среды могут изменяться важнейшие характеристики радиосистемы. Неизвестная реакция системы может вывести её из строя.
Большое значение свойства диэлектриков имеют в ракетно-космической промышленности при производстве антенных обтекателей. Известно [1], что при полёте баллистических ракет наиболее ответственным участком траектории является вход в атмосферу. Вход в атмосферу сопровождается резким изменением аэродинамических параметров полёта ракеты. Из-за высокой скорости, перед ракетой образуется слой воздуха высокого давления. Резкий перепад давлений приводит к сильному разогреву слоя и образованию плазмы. В результате воздействия высокой температуры параметры диэлектрических материалов могут изменяться непредсказуемо. Описанные обстоятельства резко повышают вероятность выхода из строя антенной системы радиоуправления, в результате чего резко повышается вероятность дестабилизации траектории полёта ракеты. Поэтому для разработки ракет с высоконадёжной системой радиоуправления, в том числе для высокоточного оружия, необходимо проводить исследования поведения параметров диэлектриков при высоких температурах и в плазменной среде.
Важную роль антенные обтекатели играют в самолётостроении. От точности бортовой антенной системы зависит работа навигационного оборудования. Кроме того, фюзеляж некоторых самолётов-разведчиков имеет специальное радиопоглощающее покрытие. Радиоматериалы, используемые в наружных устройствах, подвергаются различным физико-химическим внешним воздействиям. Жизнестойкость современного летального аппарата во многом определяется надёжной работой бортовых радиосистем. «Глазами» радиосистем, в свою очередь, являются антенные сооружения. Таким образом, надёжность летательного аппарата во многом определяется надёжной работой антенных систем и антенных укрытий в частности. Для разработки диэлектрических радиоматериалов, способных сохранять свои свойства в различных средах, необходимо оборудование, позволяющее выполнять контроль параметров диэлектриков при различных внешних воздействиях.
Современное состояние проблемы. Измерение параметров диэлектрических материалов может проводиться одним из трёх известных методов: резонаторным, волноводным и радиоволновым [2, 3, 4]. Если резонаторный и волноводный методы имеют более высокую точность измерения характеристик материалов [5], то радиоволновый метод позволяет исследовать динамику воздействия внешних факторов на материал. Кроме того, радиоволновый метод предъявляет более низкие требования к предварительной обработке диэлектриков [6]. Прибор для измерения радиоволновым методом может легко совмещаться с объектом, в отличие от резонаторного и волноводного методов, где необходима тщательная подготовка образцов к измерениям.
Особенность радиоволнового метода состоит в том, что он позволяет проводить необходимые динамические измерения практически без специальной предварительной подготовки образца.
Цель работы. Низкая точность измерения радиоволнового метода не позволяет встать ему на одну ступень с резонаторным и волноводным методами. Радиоволновый метод не имеет чёткого теоретического описания.
Расчёт характеристик материала производится по формулам [7, 8], которые справедливы для случая измерений, проводимых плоскими волнами. На самом деле, в подавляющем большинстве установок материал диэлектрика помещается в зону Френеля измерительных антенн. Известно, что фронт волны в зоне Френеля существенно отличается от плоского [9], поэтому применение расчётной формулы невозможно без специальной коррекции результата или изменения методики измерения.
Сегодня существует несколько способов повышения точности измерений диэлектрической проницаемости радиоволновым методом. Первый способ заключается в коррекции результата с помощью эмпирических таблиц [10], второй - в создании математической модели радиоволнового метода и усовершенствовании его теории [И]. Корректирующие таблицы следует считать бесперспективным временным методом повышения точности, поскольку они верны для конкретных измерительной установки и материалов. Способы, предлагающие проводить усреднение результатов, а также передвижение измерительных антенн теоретически не обоснованы.
Теоретические исследования размещения листовых материалов в зоне Френеля антенн проводились ранее [11], но главный их недостаток -существенное упрощение физической сути взаимодействия поля и диэлектрика, что, конечно же, сказывается на ценности разрабатываемой теории.
Глубокие исследования погрешностей радиоволнового метода отсутствуют из-за сложности математического аппарата при аналитическом подходе. Опубликованные аналитические решения находят применение в узком круге задач и имеют существенные упрощения в начальных условиях.
Развитие теории должно осуществляться в направлении разработки единого способа снижения погрешностей для произвольной реализации радиоволнового метода.
Перспективные сегодня исследования погрешностей радиоволнового метода с использованием ЭВМ были трудно осуществимы ранее, так как отсутствовали доступные мощные вычислительные средства с соответствующим программным обеспечением.
На современном уровне развития технологии производства новых материалов возникает требующая решения задача исследования причины возникновения высокой погрешности радиоволнового метода и разработки метода её снижения. Решению описанных выше проблем и посвящена данная диссертация.
Целью данной работы является моделирование внешнего канала радиоволнового метода на ЭВМ для анализа методической погрешности измерений, проводимых в зоне Френеля измерительных антенн.
Диссертационная работа предлагает математическую модель радиоволнового метода измерения параметров диэлектрических материалов с учётом электродинамической природы взаимодействия поля антенны и образца. При физическом моделировании получены практические результаты применения предложенного способа вычисления диэлектрической проницаемости.
Методы исследований. Моделирование измерительной системы разбито на три частные задачи. В первой задаче апертурные антенны представлены совокупностью излучающих элементов. Решение второй задачи отвечает на вопрос о взаимодействии каждого элемента апертуры антенн с образцом диэлектрического материала. В третьей задаче определено поле после его взаимодействия с диэлектрическим листом.
Полученная математическая модель радиоволнового метода измерения позволяет исследовать поведение измерительной системы с произвольными апертурными антеннами.
Анализ результатов моделирования позволил выбрать приемлемый способ снижения методической погрешности радиоволнового метода.
Апробация. Основные положения работы отражены в ряде публикаций. Принцип моделирования изложен в [12]. Построение экспериментальной установки описано в [13, 14]. Проблема ближнего поля апертурных антенн затронута в [15]. Сопоставление экспериментальных и теоретических данных проведено в [16]. Основные идеи диссертации были изложены в [17].
Основное содержание работы. Диссертация состоит из четырёх основных разделов. В первом разделе диссертации исследованы общие характеристики диэлектриков и методы их измерения, подробно изучен радиоволновыи метод, его аппаратурная реализация, проанализированы существующие теоретические и практические исследования по вопросам измерения диэлектрической проницаемости материалов (и поля апертурных антенн в зоне Френеля).
Во втором разделе разработана математическая модель радиоволнового метода измерения параметров диэлектрических материалов.
В третьем разделе произведено машинное моделирование на основе разработанной во втором разделе математической модели для внешнего канала измерительной системы с рупорными и фокусирующими антеннами. Приведены графические результаты исследований.
В четвёртом разделе проведено физическое моделирование внешнего канала радиоволнового метода измерения параметров диэлектрических материалов на специально разработанных экспериментальных установках, приведены эмпирические данные, согласно которым вычислена диэлектрическая проницаемость исследуемых материалов. Определена погрешность полученных результатов измерения. Даны практические рекомендации по повышению точности измерения параметров диэлектрических материалов радиоволновым методом.
Антенная система внешнего измерительного канала установки радиоволнового метода
Перед анализом возможностей и методов измерения параметров антенн и диэлектриков, необходимо уточнить основные понятия, которые будут активно использоваться в данной работе, поскольку в некоторых публикациях можно встретить различное толкование некоторых терминов.
Как известно, область пространства, в которой происходит излучение антенны, принято условно разбивать на три зоны [39]. Критериями деления на зоны (области) выступает фазовое соотношение магнитного и электрического векторов, а также зависимость их амплитуды от расстояния. Зоной ближнего реактивного поля принято называть область, в которой магнитный и электрический векторы сдвинуты относительно друг друга на Ближней зоной называют зону дифракции Френеля. Основное свойство зоны Френеля состоит в наличии осциллирующих затухающих колебаний, наложенных на монотонно убывающее по закону — поле. Глубина промежуточной зоны зависит от максимального размера излучающей системы: чем больше размеры системы, тем глубже зона Френеля. Дальняя зона называется также зоной излучения или зоной дифракции Фраунгофера. Признаком дальней зоны служит возможность представления лучей, исходящих от наиболее удалённых крайних точек антенной системы, параллельными линиями без ущерба для определения поля антенны. Область дальней зоны определяется расстоянием г от антенны [9]: Поскольку лучи, исходящие от антенны к произвольной точке наблюдения в зоне Фраунгофера можно считать параллельными, то фронт волны (локально), следовательно, можно считать квазиплоским. Магнитный и электрический векторы в зоне Фраунгофера совпадают по фазе, что соответствует работе антенны на излучение. Характеристики антенн можно разделить на две группы: группу, связанную с протеканием тока по поверхности антенны (в апертуре), и группу, связанную с излучением антенной энергии. Главной характеристикой второй группы является характеристика направленности и её графическое изображение (диаграмма направленности), которая показывает способность антенны излучать поле в зависимости от направления. В общем случае, характеристика направленности представляет собой векторную комплексную величину. Однако, наибольшее распространение получили амплитудная (нормированная) f(6,(p) и фазовая eJ характеристики направленности (точнее, их графическое представление), позволяющие описать угловое распределение поля в дальней зоне: Таким образом, понятие характеристики (диаграммы) направленности в его обычном понимании не применимо для зоны Френеля и тем более для зоны ближнего реактивного поля, поскольку в этих областях (зонах) поле зависит не только от угловых координат, но и от расстояния; кроме того, от расстояния может зависеть положение векторов поля в пространстве. Поэтому, при использовании выражения характеристики (диаграммы) направленности не в дальней зоне следует всегда уточнять её вид и целесообразность её применения в данном случае.
Измерение характеристик излучения антенн сводится к измерению фазовых, амплитудных и векторных (поляризационных) диаграмм направленности [40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48]. Характер диаграмм зависит от области проведения измерений. Методы измерений остаются одинаковыми для любой зоны. Вопрос исследования свойств антенн в ряде случаев не является конечной целью [40, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64]. Следует отметить, что исследования ближнего поля, а также дифракции в нём на произвольных предметах, являлись востребованными и поддерживаемыми в период развития радиоволнового метода. В настоящее время количество публикаций по этой тематике значительно снизилось, что объясняется сложностью решений возникающих прикладных задач метода. В основном, теоретическая база измерений, используемая сегодня, разработана и описана в фундаментальных работах 60-70-х годов [9, 10, 20, 30, 39, 40].
Требования к антеннам измерительной установки радио волнового метода основаны на следующих соображениях. Поскольку расчётные соотношения радиоволнового метода построены в предположении, что зондирующая волна является плоской, необходимо, чтобы фронт волны, падающей на образец, как можно меньше отличался от плоского. Таким образом можно существенно снизить методическую погрешность метода.
Главная функция антенны в радиоволновом методе - осветить необходимый участок образца энергией зондирующего поля. Приёмная антенна, в свою очередь, должна принимать энергию поля только с поверхности образца. То есть луч системы приёмной и передающей антенн должен проходить только сквозь исследуемый диэлектрик. Крайне нежелательно, чтобы часть излучаемой энергии попадала в приёмную антенну в обход диэлектрической среды. Если слой диэлектрика неоднороден по своей площади, то при широком угле освещения листа приёмная антенна получит сигнал с интегральной характеристикой измеряемых параметров, что нежелательно, если требуется исследовать структуру материала.
Энергия, излучаемая антенной, должна падать на лист диэлектрика пятном как можно меньшего диаметра, что позволило бы избежать нежелательной дифракции волн в обход образца, а также исследовать локальные характеристики материала [9, 65]. Расстояние между антеннами и образцом должно быть минимальным для обеспечения компактности установки.
Наиболее подходящими в данном случае следует считать антенны с фокусированием излучаемой энергии. Подобные антенны находят применение в аппаратуре относительно узкой специализации. Фокусирующие антенны используются, главным образом, при локальном исследовании сред на близких расстояниях.
Наиболее простая фокусирующая антенна представляет собой разновидность зеркальной антенны. Облучателем может служить рупор или открытый конец волновода. Зеркало выполняется в виде части эллипсоида. Как известно, эллипс имеет два фокуса. В ближний к зеркалу фокус помещается облучатель, тогда в дальнем фокусе концентрируется излучаемая энергия. Диаметр получаемого пятна имеет конечный размер и не может быть меньше 0,3X [9].
Модель поля при падении сферической волны точечного источника на плоский слой диэлектрической среды
Диссертационная работа посвящена проблеме точности измерения диэлектрической проницаемости при расположении образца в зоне Френеля измерительных антенн. Для решения поставленной задачи предлагается использовать математическую модель. В модели рассматривается непосредственное взаимодействие поля антенн внешнего измерительного канала установки в зоне Френеля с листовым образцом диэлектрического материала.
Представляемая модель радиоволнового метода описывает открытую измерительную систему, за исключением всех процессов, происходящих в волноводном и низкочастотном трактах измерительной установки радиоволнового метода. Таким образом, модель описывает только внешний измерительный канал: измерительные антенны, исследуемый диэлектрический лист образца и среду между ними.
Моделирование измерительной системы условно разбито на несколько частей: моделирование измерительных антенн, моделирование слоистой среды между антеннами и моделирование процесса взаимодействия антенн в среде.
При математическом моделировании используется интегральное исчисление. Аналитическое решение полученного интегрального уравнения, описывающего модель, на сегодняшний день не получено. Поэтому для вычисления интегральной функции используются численные методы с применением ЭВМ. Результаты вычислений могут быть представлены в табличном или графическом виде. Графическое представление смоделированных и экспериментальных данных позволяет проводить их анализ и давать оценку погрешности радиоволнового метода с целью получения рекомендаций её снижения.
При моделировании учитывается, что техническая реализация радиоволнового метода имеет ряд особенностей: 1) В измерительных системах радиоволнового метода используются преимущественно апертурные антенны. Рабочий диапазон используемых волн не выходит за пределы колебаний СВЧ. Обычно, чем меньше предполагается пространственный объём установки, тем меньше выбирается рабочая длина волны. 2) Как известно, радиоволновый метод имеет две модификации: измерение на прохождение волн и измерение на отражение волн от образца. На практике модификация метода на прохождение используется намного чаще модификации на отражение. Это связано с большой продолжительностью измерений и более низкой их точностью. 3) Вычисление значения диэлектрической проницаемости связано с возможной неоднозначностью, вызванной особенностью применяемой функции. Апертурной антенной называют такую антенну, вся излучаемая мощность (или основная её доля) которой проходит через замкнутую область (условное отверстие) в некоторой плоскости (или поверхности), обычно перпендикулярной оси антенны. На практике форму отверстий выбирают круглой, прямоугольной или квадратной на некоторой плоскости. Апертурная антенна, в общем случае, характеризуется своим раскрывом (его формой и площадью) и распределением тока (или поля) на нём. Второстепенным параметром, связанным с распределением тока в апертуре, является коэффициент использования поверхности антенны. С помощью этих характеристик можно рассчитать пространственные (диаграмма направленности) и энергетические (коэффициент направленного действия) свойства антенны. По конструктивному исполнению апертурные антенны условно делятся на несколько типов: рупорные, линзовые, зеркальные и комбинированные антенны. Пусть имеется апертурная антенна с раскрывом в области D, внешняя граница которой описывается функцией D(x,y,z). Положим, что плоскость апертуры совпадает с плоскостью (х,у,0). Распределение поля в апертуре показывает некоторая функция Е(х,у,0)е - \ заданная на плоскости раскрыва (рис.2.1). Чтобы определить поле апертуры в произвольной точке пространства в положительном направлении оси Z от плоскости раскрыва необходимо воспользоваться интегралом Кирхгофа [88, 89, 90, 91, 92, 93]. Для этого каждая точка апертуры представляется излучающим точечным источником. Обычно (точечный) излучатель, используемый при анализе антенн, не является изотропным, но направленным в одно полупространство, что обеспечивается дополнением функции источника множителем кардиоиды. Во внешнем измерительном канале установки радиоволнового метода излучение антенны в обратном направлении не влияет на точность измерения. Поэтому в интеграле точечный источник не имеет смысла усложнять множителем кардиоиды, то есть можно оставить его изотропным.
Вычислительная машина и программное обеспечение для моделирования внешнего измерительного канала радиоволнового метода
Модель, разработанная во втором разделе, представляет собой математическое описание физического процесса распространения поля в среде с плоскими слоями и малыми потерями. Интегралы, входящие в расчётные формулы, не могут быть рассчитаны аналитически. Вычисление поля с помощью предложенной модели требует привлечения мощной вычислительной техники. Поэтому приложение модели на конкретные виды внешнего канала измерительных установок радиоволнового метода основано на программировании вычислительной машины по определённому алгоритму. В данном разделе будет описан алгоритм моделирования внешнего измерительного канала с антеннами разных типов.
Современные наработки программного обеспечения позволяют использовать готовые подпрограммы вычисления интегральных выражений численными методами, причём расчётные подпрограммы в настоящее время объединяются в единый пакет с удобной графической оболочкой. Возможности графических оболочек довольно широки и вычисление сложных выражений может сводиться к их формальной записи на языке математических формул, указанию программе оболочки граничных условий и способа представления конечного результата. Подобный подход имеет свои недостатки. Так, если при написании подпрограмм пакета были допущены незначительные ошибки, проявляющиеся в нестандартных или критических ситуациях, то расчёты могут обладать большой погрешностью. В то же время, самостоятельное написание подобных подпрограмм для небольших исследовательских целей представляет отдельную сложную задачу и занимает много времени. Поэтому использование готовых универсальных пакетов математических подпрограмм с многофункциональными графическими оболочками существенно повышает скорость проведения исследований, связанных, в частности, с моделированием электромагнитного поля.
Современная вычислительная техника, предназначенная для проведения общих математических расчётов, строится по архитектуре PC. Широкое распространение машин такого класса создало предпосылки для накопления и поддержки огромного количества программного обеспечения. Поэтому для моделирования был выбран пакет математических программ MathCAD, который предназначен для работы на машинах класса PC под управлением операционной системы Windows.
Вычислительная машина, на которой были проведены эксперименты моделирования, имеет следующие характеристики: Центральный процессор: AMD с тактовой частотой 1600 МГц, Объём оперативной памяти: 640 МБ, Системный контроллер: VIA КТ133А, Операционная система: Windows ХР. Программа для машинного моделирования MathCAD 2000. Далее будут рассмотрены основные принципы работы с математическим пакетом программ MathCAD [106, 107]. Графическая оболочка пакета построена согласно стандартным требованиям к виду приложений операционной системы Windows (рис.3.1). Основные функции программы доступны через главное меню, а для удобства и наглядности ввода формул имеется ряд дополнительных меню пиктограмм (рис.3.2) с основными математическими знаками. Работу с программой при вводе задания на расчёт условно можно разбить на три этапа: ввод констант и граничных условий, ввод расчётных формул и определение формата вывода результата. При вводе констант и граничных значений переменных должна соблюдаться уникальность Все переменные, как и во втором разделе, имеют комплексный характер. В дальнейшем эта особенность не упоминается, так как в математическом пакете MathCAD все переменные по умолчанию комплексные. Для составления расчётных формул модели внешнего измерительного канала с рупорными антеннами в пакете MathCAD необходимо чётко соблюдать последовательность вычислений и следить за отсутствием констант без присвоенного значения. Используя принятые в табл.3.1 обозначения и результаты второго раздела, ниже будут представлены расчётные формулы, предназначенные для использования в системе MathCAD. Поле точечного источника за пределами диэлектрического листа вычисляется по формуле (2.13). Формула (2.13) представляет собой сложную функцию, которая может быть перед вычислением разбита на элементарные. Наиболее трудоёмкая операция вычисления коэффициента прохождения «длинной» линии плоской волной. Рассматриваемый случай изображён на рис.3.9. Запишем коэффициент прохождения радиоволной диэлектрического слоя согласно изложенной во втором разделе теории. Для этого необходим произвести пересчёт волнового сопротивления нагрузки к волновому сопротивлению генератора. В рассматриваемом случае генератором и нагрузкой выступают однотипные рупорные антенны. Согласно формуле (2.14) сопротивление должно быть пересчитано три раза: от нагрузки к задней поверхности диэлектрического листа Z3, от задней поверхности листа
Антенны внешнего измерительного канала установки радиоволнового метода
Экспериментальные исследования радиоволнового метода направлены на изучение особенностей измерения диэлектрической проницаемости при размещении системы антенн внешнего измерительного канала и диэлектрического листа в зоне Френеля. Проводимые исследования можно классифицировать как физическое моделирование радиоволнового метода. Моделирование проводилось для радиоволнового метода с прохождением зондирующего сигнала через исследуемый образец. Реализация метода на отражение, как указывалось в первом разделе, менее технологична и требует больших затрат времени на измерение диэлектрической проницаемости одного образца.
Для проведения физического моделирования измерений радиоволновым методом были собраны специальные измерительные установки. Одна установка рассчитана на работу в 3-х сантиметровом диапазоне волн и позволяет изучать амплитудную зависимость принимаемого сигнала от положения диэлектрического листа. Другая установка более совершенна и рассчитана на работу в 8-ми миллиметровом диапазоне волн. На установке имеется возможность измерять как амплитуду так и фазу принимаемого сигнала. В обеих установках присутствуют механизмы для исследования зависимости амплитуды и фазы принимаемого сигнала от положения листа диэлектрического материала между измерительными антеннами.
Установка 3-см диапазона предназначена для исследования затухания в листовых диэлектрических материалах в диапазоне частот 10 ГГц. Конструктивно установка состоит из безэховой камеры, генератора, передающей и приёмной антенн, детекторной секции и индикатора.
Безэховая камера представляет собой закрытый вытянутый ящик из радиопоглощающего материала (рис.4.1). Необходимость использования камеры вызвана требованием максимального снижения влияния окружающих предметов на измерения. Поглощающим материалом служат стекловолокнистые пластины. В противоположные стороны ящика врезаны измерительные антенны. В середину камеры помещается лист исследуемого образца. Лист подвешивается на подвижном кронштейне. В установке предусмотрена возможность перемещения листа вдоль оси антенн в пределах 20 см и поворота листа вокруг оси. Структурная схема установки показана на рис.4.2. СВЧ сигнал с генератора ГСВЧ со встроенным модулятором М поступает непосредственно в излучающую антенну А. После взаимодействия с материалом образца Обр прошедшая радиоволна падает на приёмную антенну А. Энергия принятой волны детектируется амплитудным детектором и её значение отображается на индикаторе. В установке используется стандартный СВЧ генератор 3-см диапазона типа Г4-109, который позволяет зондировать лист модулированным сигналом с несущей частотой от 8,5 до 12 ГГц. Для соединения выхода генератора с излучающей антенной используется отрезок гибкого волновода. Излучающая антенна выполнена в виде рупора. Рупор имеет следующие размеры: ширина раскрыва 150мм, высота раскрыва 150мм, высота пирамиды рупора 200мм. Питающий волновод имеет стандартный размер для 3-см диапазона волн 23x1 Омм. Приёмная антенна также рупорная пирамидальная и имеет аналогичные размеры. Согласно формуле (1.11) граница зоны Френеля для используемых антенн находится на расстоянии: Расстояние между раскрывами антенн в безэховой камере установки составляет 1,0м. Таким образом, лист исследуемого материала попадает в зону Френеля каждой измерительной антенны. К приёмному рупору непосредственно подсоединена детекторная секция, выполненная на диоде Д605. Выход детекторной секции подключен к индикатору, которым является электронный милливольтметр ВЗ-39. Поскольку зондирующий СВЧ сигнал промодулирован по амплитуде, то на выходе детектора имеется низкочастотный сигнал с частотой модуляции 1кГц. Поэтому все измерения проводятся по переменному напряжению. Методика измерения на установке следующая. На СВЧ генераторе устанавливают частоту ЮГГц с амплитудной модуляцией сигналом встроенного низкочастотного генератора. Далее измеряют напряжение на выходе детекторной секции без листа диэлектрика. При этом на выходе генератора с помощью аттенюатора устанавливают такую мощность, при которой милливольтметр показывает напряжение ЮОмВ. После этого в камеру помещается исследуемый лист. Показания индикатора при этом обычно уменьшаются. Выведением аттенюатора генератора добиваются прежних показаний индикатора. Разница значений аттенюатора при первом и втором измерениях равна вносимому диэлектриком затуханию. Для исследования зависимости изменения вносимого затухания от положения листа относительно измерительных антенн лист перемещают вдоль оси антенн с помощью специальной ручки, а смещение отсчитывают по линейке. Эксперимент с перемещением можно повторять с различными углами поворота листа относительно вертикальной плоскости, перпендикулярно которой проходит ось антенной системы.
В качестве образцов используются листы из формованного стеклопластика, использующегося в производстве антенных обтекателей, размером 500x500 мм толщиной 10 и 20 мм. Для крепления в каждой пластине у одного края сделано отверстие.
Экспериментальная измерительная 8-мм установка предназначена для исследования измерений комплексного коэффициента прохождения листовых диэлектрических материалов на 8-мм диапазоне волн. Отличие построения установки в диапазоне 8-мм от установки 3-см диапазона связано со значительно худшим распространением радиоволн 8-мм диапазона, по этой причине отпадает необходимость в безэховой камере. Влияние окружающих предметов при измерениях на 8-мм диапазоне незначительно [109]. Относительно малая длина рабочих волн позволила сконструировать достаточно компактную измерительную установку. Принцип работы отдельных узлов установки описан в работах [110, 111, 112].
