Содержание к диссертации
Введение
1. Волноводы класса «полый диэлектрический канал» как основа для создания квазиоптического рефлектометра 12
2. Квазиоптический рефлектометр. 19
2.1. Схема рефлектометра 19
2.2. Дифракция на ребрах волноводного креста 23
2.3. Расчет величины основного сигнала 25
2.4. Расчет паразитного сигнала 28
2.4.1 Расчет паразитного сигнала, обусловленного присутствием делительной пластины 28
2.4.2. Расчет паразитного сигнала, обусловленного прямым просачиванием 32
2.5. Расчет направленности 35
2.6. Поляризационный рефлектометр 38
3. Методики измерения с использованием рефлектометра в комплекте с векторным анализатором цепей 41
3.1. Измерение коэффициентов отражения 41
3.2. Измерение обратного рассеяния от физических тел 43
3.3 Поляризационные измерения 46
3.4 Измерение диэлектрической и магнитной проницаемостей 48
4. Методики измерения с использованием рефлектометра в комплекте со скалярным измерителем к СВН . 52
4.1. Измерение коэффициентов отражения 52
4.2. Поляризационные измерения 59
4.3 Измерение диэлектрической и магнитной проницаемостей 61
4.4 Реализация метода одновременного измерения диэлектрической и магнитной проницаемостей 68
5. Результаты измерения обратного рассеяния от физических тел . 78
5.1 Тонкий проводящий сектор 78
5.3 Тонкий проводящий и анизотропный зубцы 81
5.2 Кромка с переменной прозрачностью 85
5.4. Согласующий переход с переменной анизотропной проводимостью между металлической и импедансной поверхностями 87
5.6- Малые многозаходные проволочные спирали 89
5.7. Протяженный цилиндр с анизотропной проводимостью 93
5.8. Способ уменьшения обратного рассеяния от тонкого проводящего зубца 96
Заключение 98
Литература 100
Приложение. Основные характеристики ряда рефлектометров диапазона 2-300ГТц 109
- Расчет паразитного сигнала, обусловленного присутствием делительной пластины
- Измерение обратного рассеяния от физических тел
- Реализация метода одновременного измерения диэлектрической и магнитной проницаемостей
- Согласующий переход с переменной анизотропной проводимостью между металлической и импедансной поверхностями
Введение к работе
Развитие науки и техники постоянно повышает требования к методам и средствам измерения электромагнитных характеристик материалов. Эти требования касаются не только точности измерения, диапазона частот и оперативности получения результатов, но и условий применения этих материалов. Так» в последние годы на первый план выдвинулись проблемы электромагнитной совместимости радиоэлектронных устройств, защиты биологических объектов и человека от воздействия электромагнитного излучения и др- Одним из средств решения этих проблем являются радиопоглощагощие экраны. Синтез таких экранов как однослойных, так и многослойных требует создание методов и средств измерения характеристик материалов в условиях, приближенных к реальным, то есть в условиях свободного пространства. При этом важными характеристиками являются как диэлектрическая и магнитная проницаемости, так и комплексные коэффициенты отражения и прохождения, а также характеристики рассеяния на экранах конечных размеров и экранируемых объектах.
При измерении диэлектрической и магнитной проницасмостей традиционными являются резонаторные и волноводные методы, в которых используются образцы малого размера. В случае же определения электромагнитных характеристик в условиях приближенных к открытому пространству обычно используют т.н. «рупорный метод» [1,2,3], при котором измеряют коэффициенты отражения и прохождения для образцов, поперечные размеры которых во много раз превышают длину волны. Достоинством этого метода является относительная простота реализации, а недостатком - значительные погрешности, связанные с отражением от рупора и с кривизной волнового фронта на его выходной апертуре. Заметим, что некоторые из этих погрешностей могут быть устранены путем определенного усложнения измерений.
Заметный успех в измерениях электромагнитных характеристик веществ и материалов был достигнут с развитием лучевой спектроскопии [4,5,6]. Преимуществом схемы лучевого спектрографа является применение в качестве измерительного тракта линзового лучевода. Линзовый лучевод позволяет сформировать волновой пучок, распределение поля которого в поперечном сечении близко к гауссову. Созданные на базе лучевода измерительные установки позволяют проводить измерения в условиях, близких к режиму измерения в плоской волне, что позволило резко снизить погрешности измерений, связанные с дифракционными эффектами. Данная аппаратура и разработанные для нее методики дали возможность измерить свойства жидкостей, твердых диэлектриков, сегнетоэлектриков, магнитодиэлектриков и газов в широком диапазоне частот миллиметровых и субмиллиметровых волн.
Принципиальным недостатком установок такого рода является то, что при увеличении длины волны размеры лучевода значительно возрастают. Кроме того, линзовый тракт требует специальной юстировки.
Предложенные в [7] волноводы класса полый диэлектрический канал, а впоследствии и металло-диэлектрические волноводы [8,9], позволили создать новые волноводные элементы, сочетающие в себе одновременно свойства лучевода и в тоже время закрытой системы. Так, ряд достоинств прямоугольного металло-диэлектрического волновода [10,11] таких, как простота структуры поля рабочей моды, ее малое затухание при условии увеличенного затухания (фильтрации) высших (паразитных) мод, малая чувствительность к стыкам, малые потери в уголках, позволили обеспечить хорошие характеристики функциональных элементов для приемопередающих и радиолокационных трактов коротковолновой части миллиметрового диапазона волн [12]. Многие из этих элементов являются перспективными для применения в измерительной аппаратуре. Так,
например» делитель мощности на основе вол ново дного креста явился основой для создания широкополосных направленных ответвителей.
Последние десять лет в Институте Радиотехники и электроники РАН интенсивно велись работы по созданию рефлектометров на основе металло-диэлектрических волноводов прямоугольного сечения, позволяющих измерять с высокой точностью амплитуду и фазу коэффициентов отражения плоских образцов материалов, а также комплексные диэлектрическую и магнитные проницаемости этих материалов в диапазоне частот 2-300 ГГц [13-22]. Большая чувствительность и точность измерений обеспечивалась в этих рефлектометрах высокой направленностью делителя мощности и низким уровнем паразитных переотражений в измерительном тракте на основе металло-диэлектрических волноводов- Рефлектометры работают с векторными либо скалярными анализаторами цепей, В первом случае минимальное значение измеряемых коэффициентов отражения составляет - -70 дБ, во втором случае - -40 дБ [18]. Помимо измерений, указанных выше, рефлектометры позволяют также исследовать обратное рассеяние от небольших моделей и фрагментов физических тел [23-28]- Проведенная позднее модификация этих приборов дала возможность проводить поляризационные измерения обратного рассеяния [14,26-32].
Кроме создания новой аппаратурной части большое значение имело развитие методик измерений. При этом определенный прогресс здесь связан с вычислительной техникой. Прежде всего - это повышение точности измерений, связанное как с возможностью усреднений, так и с возможностью учета различных помеховых сигналов с помощью дополнительных калибровок. Кроме того, большое значение имело применение более сложных алгоритмов обработки данных, таких как Фурье фильтрация и т.д. [3,18,33-37].
В настоящее время для широкого класса СВЧ измерений используются как скалярные, так и векторные анализаторы цепей. Однако ввиду большой цены векторные анализаторы цепей не всегда доступны- Это обстоятельство повышает значение методик измерения, в которых применяются скалярные измерители КСВН. В данной работе предложена и реализована методика измерения диэлектрической и магнитной проницаемости в плоских образцах, основанная на измерении модуля коэффициента отражения от плоского образца с расположенным за ним подвижным отражателем [36], При этом использование в схеме квазиоптического рефлектометра на базе металло-диэлектрических волноводов позволяет значительно повысить точность измерений.
Как уже отмечалось, высокая чувствительность измерений при использовании квазиоптических рефлектометров позволяет также измерять обратное рассеяние от небольших физических тел. При этом оказалось возможным проводить исследования тонких эффектов дифракции на различных структурах, являющихся составными частями физических тел сложной формы [25,28,38], Модификация квазиоптического рефлектометра позволила провести поляризационные измерения обратного рассеяния на новых объектах с киральными свойствами [27-31].
Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является развитие средств и методов измерения диэлектрических и магнитных свойств материалов, малых уровней отражения и рассеяния в условиях, близких к условиям свободного пространства, а также изучение особенностей характеристик рассеяния физическими телами с малым уровнем обратного рассеяния.
Научные результаты и положения» выносимые на защиту. Основными положениями, представляемыми к защите, являются:
Математическая модель рефлектометра.
Методы определения и контроля характеристик рефлектометра.
Способы улучшения характеристик рефлектометра.
Методика измерения диэлектрической и магнитной проницаемости в широкой полосе в плоских образцах с применением скалярных измерителей КСВН-
Способы управления обратным рассеянием с помощью структур с анизотропной проводимостью.
6. Способы управления обратным рассеянием с помощью структур с переменной прозрачностью. Научная новизна.
1 - Разработан алгоритм расчета направленности квазиоптического рефлектометра.
2, Предложены способы оптимизации конструкции и характеристик
рефлектометра.
Разработана методика измерения диэлектрической и магнитной проницаемости с использованием скалярных измерителей КСВН.
Выполнены измерения обратного рассеяния от ряда физических тел» в частности:
а) от тонкого проводящего сектора,
б) от перехода металл - импедансная поверхность,
в) от кромки.
5, Исследованы характеристики рассеяния от некоторых киральных
структур» преобразующих поляризацию падающей волны:
а) от малых многозаходных спиралей,
б) от протяженных цилиндров с анизотропной проводимостью.
Научная и практическая ценность работы. Научная и практическая
ценность работы заключается:
9 Ь В создании новых типов квазиоптических рефлектометров на базе прямоугольных металлодиэлектрических волноводов.
Улучшении направленности рефлектометров, уменьшении их размеров,
В развитии методов измерений коэффициентов отражения, обратного рассеяния, определения магнитных и диэлектрических свойств материалов.
В исследовании механизмов обратного рассеяния от ряда физических тел.
В предложенных способах управления уровнем обратного рассеяния от некоторых ключевых структур.
Использование результатов работы.
Разработанные в процессе выполнения диссертационной работы рефлектометры использовались в проводимых в ИРЭ РАН научно-исследовательских работах по исследованию механизмов рассеяния электромагнитных волн на ряде ключевых структур, а также для изучения отражательных характеристик композиционных материалов. Структура диссертационной работы.
Диссертация состоит из введения 5 глав основного текста и заключения. Объем диссертации составляет 117 страниц, 66 рисунков и список литературы из 76 наименований. Краткое содержание диссертации.
В первой главе рассматриваются основные свойства металлодиэлектрических волноводов прямоугольного поперечного сечения, являющихся базовыми для квазиоптического рефлектометра. Описаны структура поля рабочей моды LMn, поляризационные характеристики и характеристики затухания.
Во второй главе описан квазиоптический рефлектометр, построенный на базе металлодиэлектрических волноводов. Приводится его схема- Описан принцип действия- Дан алгоритм расчета направленности, В расчете использованы принципы физической оптики и геометрической теории дифракции. На основе расчета даны предложения по оптимизации конструкции.
В главе 3 описаны методики измерения коэффициента отражения от плоских образцов с использованием рефлектометра в комплекте с векторными анализаторами цепей. Разработанная процедура обработки данных, включающая вычитание фоновых сигналов и Фурье фильтрацию позволяет значительно повысить чувствительность и точность измерений. Эта методика делает возможным проводить не только измерения коэффициентов отражения, но исследовать обратное рассеяние от небольших физических тел.
Показано, как использование дополнительного отражателя позволяет одновременно измерять коэффициент отражения и коэффициент прохождения, что дает возможность определять одновременно диэлектрическую и магнитную проницаемости плоских образцов.
В главе 4 описаны методики измерения с использованием рефлектометра в комплекте со скалярными измерителями КСВН. Для измерения диэлектрической и магнитной проницаемости предложена оригинальная методика- Методика основана на получении коэффициентов отражения и прохождения через плоский образец по результатам измерения модуля коэффициента отражения от системы образец - подвижный отражатель.
В главе 5 приведены результаты экспериментального исследования обратного рассеяния от ряда физических тел. Показаны пути снижения обратного рассеяния с помощью структур с анизотропной проводимостью и
переменной прозрачностью. Для некоторых киральных структур подтверждены предсказанные физические эффекты.
Заключение содержит обобщенные результаты и основные выводы по работе.
Апробация работы. Основные материалы диссертации были доложены на следующих конференциях: ІЛ Всесоюзная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы
технологии композиционных материалов и радиокомпонентов в
микроэлектронных информационных системах» в Ялте, 1990. 2. XI международная конференция по гиромагнитной электронике и
электродинамике, Алушта 1992. 3, 3ird International Conference on Electromagnetic Structures, Torino, Italy,
1993.
British Electromagnetic measurements Conference, Malvern, England, 1995,
23th European Microwave Conference, Madrid, Spain, 1993/
The Fourth International Kharkov Symposium "Physics and engineering of millimeter and sub- millimeter waves" Kharkov, Ukraine. June 4-9, 2001.
7. VIII International Conference on Spin-Electronics, Moscow, 1999
8, XII Международная конференция по спиновой электронике и
гировекторной электродинамике. Секция по гиромагнитной электронике и
электродинамике (микроволновым ферритам), Москва (Фирсановка), 19-
21 декабря 2003-
12 1. Волноводы класса «полый диэлектрический канал», как основа для создания квазиоптического рефлектометра. Волноводы прямоугольного сечения класса «полый диэлектрический канал» были предложены в работах [9,39]. Здесь мы кратко остановимся на тех свойствах этих волноводов, которые делают их перспективными для создания измерительных устройств СВЧ — диапазона. Поперечные сечения волноводов этого класса показаны на рис. 1Ла,б. Как видно из рисунка, две (рис Л. 1а) или все четыре (вариант С) (рис. 1Л б.) стенки таких волноводов представляют собой границы импедансного типа. При этом волновод, у которого все четыре границы являются импедапсными, позволяет передавать волны ортогональных поляризаций. Импедансные стенки реализуются с помощью границ следующих трех типов, изображенных на рис, 1,2 а, б, в. В первом случае (рис.1.2а) граница представляет полубесконечньтй слой диэлектрика (вариант В) (практически используется достаточно толстый слой диэлектрика с потерями). Во втором случае (рис Л .26) (вариант А) граница - это слой диэлектрика на металлической поверхности. В третьем случае (рис.1.2в) граница - это слой диэлектрика. Последний тип границы используется для фильтрации волн высших типов. Рассмотрим волновод, в котором кроме металлических границ, имеются границы второго типа — полый металлодиэлектрический волновод (см. рисЛ.З) (вариант А). При выполнении условий
2а»Л, 2Ь»Я (1.1)
и толщине диэлектрического слоя d*— в таких волноводах можно
эффективно возбудить продольную магнитную волну LMn.
ы^пМаш*
\У
.ттда^с
* і'іі'Ш'
1 F.
(f/^Ч
* * */
:. LZ. їтт
- а
2Ь
- {'Р.ГШ
Рис. 1.3 П
Выражения для компонент поля волны LMn при выполнении указанных выше условий имеют следующий вид [39]:
Еу = 0
Е=В
(kaf
42U .
Kctg{kd^e-\) X
2ка^є-\ а
ґ~(х
2U
\1\Ь
exp(-yftz)
MM.sin 3 J 2аЪ
Ну—Еґ, tfI=0
2{а ,
jU + 1 exp(-7-fe)
(1.2)
ж
*+1
K1\a
«J*+i
ехр(—jhz)
гдеЛ2**2-^ ~тг , А.
^2aJ 1,2*; Л
Как видно из приведенных формул» амплитуды основных компонент поля спадают к стенкам волновода- Экспериментально снятое распределение поперечной компоненты электрического поля Ех металлодиэлектрического волновода с размерами 2а=20 см, 2в=20 см на длине волны Л.=3см показано на рис. 1А Уменьшение амплитуды поля у стенок волновода обеспечивает чрезвычайно малый уровень отражения от открытого конца волновода, что позволяет успешно использовать их в измерительных трактах. Теоретическая оценка величины коэффициента отражения для волновода с приведенными выше размерами на длине волны Л = 4d\Js — 1 дает значение ^-70дБ [40]. В диапазоне рабочих частот волновода эта величина реально не превышает —50 дБ, что соответствует KCBH*L006.
Рассмотрим теперь волновод с границами первого типа — собственно канал в диэлектрике с потерями (рис. 1.1.б) (вариант В). При
выполнении условий (1.1) в таких волноводах можно возбудить слабо
вытекающую волну, близкую по структуре поля к волне LMj t
металлодиэлектрического волновода.
Выражения для компонент поля этой волны в канале, записанные
с точностью до членов второго порядка малости по степеням — и —,
ка kb
таковы [39]:
Еу=0
(^
(ка)2
Е=В
Sin — —+ 1 , wai —
\2\а )) 2Ы^1а 1^2
*+1
\\
*<*№+!
+
sin — І2
exp(-juz)
2кЪ4ё-\Ъ \2\Ъ
Ь .
fn'
Ет = -jB^-^—- sin 1 J lab
і4ч*+і
exp(-yfe)
(1.3)
H=-Ez, //=0
Hfft-
exp(-yfe)
Как следует из формул (1-2) и (1.3), структуры полей рабочих мод в металлодиэлектрическом волноводе и канале в поглощающем диэлектрике в
старшем (по — и —) порядке практически одинаковы. Однако эти моды
ка ко
отличаются видом зависимости затухания от частоты. Так, затухание рабочей моды LM| \ в металлодиэлектрическом волноводе определяется следующей формулой [39]:
*=.**'
+
1 /
(Ikafa {2kbfb2\(7
(1.4)
где к2=-
e'de' і є' f 2-J sm(2kd47^\) JI' \є'-і{ " є' 2kd47^\
Vf'-l(l - cos(2We'-l))
+
.'2
"г— ^
Js'-l \ет
Затухание рабочей моды в канале в диэлектрике может быть рассчитано по следующей формуле:
ж 2ка)
/ _ \2
h" =
(1-5)
а4є-\
Другим важным свойством, делающим волноводы класса «полый диэлектрический канал» перспективными как основа для измерительных трактов, является их достаточная широкополосность. На рис. 1.5 а и б приведены частотные зависимости затухания в металлодиэлектрическом волноводе и в волноводе типа «канал в диэлектрике». Металлодиэлектрический волновод имеет следующие размеры: 2а = 2Ъ = 20 см, толщина диэлектрика 0.4см» диэлектрическая проницаемостью s = 3.6-J02. Размеры канала в поглощающем диэлектрике (радиопоглощающий материал с диэлектрической проницаемостью e = 3-J4) 2а = 2b = 35 см. Как видно из графика на рисЛ.5а, рабочая полоса металлодиэлектрического волновода ограничена со стороны высоких частот резонансом в диэлектрическом слое (на частоте 23 ГГц), а со стороны низких частот - увеличением затухания при приближении угла падения парциальных волн (волн Бриллюэна) к углу Брюстера. Рабочая полоса канала в диэлектрике (см. рис. 1.56) со стороны высоких частот практически не ограничена, а со стороны низких частот ограничена той же причиной, что и для металлодиэлектрического волновода. Учитывая тот факт, что для возбуждения рабочей волны LMn разработаны высокоэффективные широкополосные преобразователи, можно сказать, что полоса измерительных устройств на базе волноводов класса «полый диэлектрический канал» ограничивается практически диапазоном работы коаксиально-волноводных переходов. К этому необходимо добавить, что поле на выходе рассматриваемых волноводов обладает слабой
*
*
17 расходимостью, что повышает точность измерения коэффициентов отражения.
^o^
шсА.А> Расоределеміїе поперечной компоненты зжтрввеского поля Я.
і '-t '> а ж і"1
С.-І-
S^.GT^, ГГ
ЧЖГГО!^, ГҐЦ
Рве. 13. Частотнее :йшисимостеі затухания в мегшшодизлектрическом волноводе Ы) и в волноводе типа «канал в дшлекі"рикс>> (6).
2. КВАЗИОПТИЧЕСКИЙ РЕФЛЕКТОМЕТР.
Расчет паразитного сигнала, обусловленного присутствием делительной пластины
Разработанные в процессе выполнения диссертационной работы рефлектометры использовались в проводимых в ИРЭ РАН научно-исследовательских работах по исследованию механизмов рассеяния электромагнитных волн на ряде ключевых структур, а также для изучения отражательных характеристик композиционных материалов. Структура диссертационной работы.
Диссертация состоит из введения 5 глав основного текста и заключения. Объем диссертации составляет 117 страниц, 66 рисунков и список литературы из 76 наименований. Краткое содержание диссертации.
В первой главе рассматриваются основные свойства металлодиэлектрических волноводов прямоугольного поперечного сечения, являющихся базовыми для квазиоптического рефлектометра. Описаны структура поля рабочей моды LMn, поляризационные характеристики и характеристики затухания. Во второй главе описан квазиоптический рефлектометр, построенный на базе металлодиэлектрических волноводов. Приводится его схема- Описан принцип действия- Дан алгоритм расчета направленности, В расчете использованы принципы физической оптики и геометрической теории дифракции. На основе расчета даны предложения по оптимизации конструкции.
В главе 3 описаны методики измерения коэффициента отражения от плоских образцов с использованием рефлектометра в комплекте с векторными анализаторами цепей. Разработанная процедура обработки данных, включающая вычитание фоновых сигналов и Фурье фильтрацию позволяет значительно повысить чувствительность и точность измерений. Эта методика делает возможным проводить не только измерения коэффициентов отражения, но исследовать обратное рассеяние от небольших физических тел.
Показано, как использование дополнительного отражателя позволяет одновременно измерять коэффициент отражения и коэффициент прохождения, что дает возможность определять одновременно диэлектрическую и магнитную проницаемости плоских образцов.
В главе 4 описаны методики измерения с использованием рефлектометра в комплекте со скалярными измерителями КСВН. Для измерения диэлектрической и магнитной проницаемости предложена оригинальная методика- Методика основана на получении коэффициентов отражения и прохождения через плоский образец по результатам измерения модуля коэффициента отражения от системы образец - подвижный отражатель.
В главе 5 приведены результаты экспериментального исследования обратного рассеяния от ряда физических тел. Показаны пути снижения обратного рассеяния с помощью структур с анизотропной проводимостью и переменной прозрачностью. Для некоторых киральных структур подтверждены предсказанные физические эффекты. Заключение содержит обобщенные результаты и основные выводы по работе. Апробация работы. Основные материалы диссертации были доложены на следующих конференциях: ІЛ Всесоюзная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы технологии композиционных материалов и радиокомпонентов в микроэлектронных информационных системах» в Ялте, 1990. 2. XI международная конференция по гиромагнитной электронике и электродинамике, Алушта 1992. 3, 3ird International Conference on Electromagnetic Structures, Torino, Italy, 1993. 4. British Electromagnetic measurements Conference, Malvern, England, 1995, 5. 23th European Microwave Conference, Madrid, Spain, 1993/ 6. The Fourth International Kharkov Symposium "Physics and engineering of millimeter and sub- millimeter waves" Kharkov, Ukraine. June 4-9, 2001. 7. VIII International Conference on Spin-Electronics, Moscow, 1999 8, XII Международная конференция по спиновой электронике и гировекторной электродинамике. Секция по гиромагнитной электронике и электродинамике (микроволновым ферритам), Москва (Фирсановка), 19 21 декабря 2003 12 1. Волноводы класса «полый диэлектрический канал», как основа для создания квазиоптического рефлектометра. Волноводы прямоугольного сечения класса «полый диэлектрический канал» были предложены в работах [9,39]. Здесь мы кратко остановимся на тех свойствах этих волноводов, которые делают их перспективными для создания измерительных устройств СВЧ — диапазона. Поперечные сечения волноводов этого класса показаны на рис. 1Ла,б. Как видно из рисунка, две (рис Л. 1а) или все четыре (вариант С) (рис. 1Л б.) стенки таких волноводов представляют собой границы импедансного типа. При этом волновод, у которого все четыре границы являются импедапсными, позволяет передавать волны ортогональных поляризаций. Импедансные стенки реализуются с помощью границ следующих трех типов, изображенных на рис, 1,2 а, б, в. В первом случае (рис.1.2а) граница представляет полубесконечньтй слой диэлектрика (вариант В) (практически используется достаточно толстый слой диэлектрика с потерями). Во втором случае (рис Л .26) (вариант А) граница - это слой диэлектрика на металлической поверхности. В третьем случае (рис.1.2в) граница - это слой диэлектрика. Последний тип границы используется для фильтрации волн высших типов. Рассмотрим волновод, в котором кроме металлических границ, имеются границы второго типа — полый металлодиэлектрический волновод (см. рисЛ.З) (вариант А). При выполнении условий
Измерение обратного рассеяния от физических тел
В данной главе рассмотрено устройство квазиоптического рефлектометра [13,14,42] и исследованы его основные характеристики. Этот рефлектометр предназначается для измерений коэффициентов отражения и прохождения, диэлектрической и магнитной проницаемостей, а также характеристик обратного рассеяния от физических тел (включая поляризационные характеристики). Основными характеристиками рефлектометра являются: направленность, переходное ослабление и структура поля в рабочей зоне. Рефлектометр выполнен на основе волноводов класса «полый диэлектрический канал» [8] по схеме интерферометра Майкельсона. Схематически рефлектометр показан на рис.2 Л, Основными элементами рефлектометра являются: возбудители рабочей моды LMji (1,2), направленный делитель мощности (3) и согласованная нагрузка (4). Опишем в отдельности все эти элементы. Направленный делитель мощности (см. рис.2.2) представляет собой волноводный крест, выполненный на основе волноводов класса «полый диэлектрический канал». В зависимости от рабочего диапазона частот и конкретного назначения рефлектометра применяются варианты А, В, С таких волноводов, описанных в первой главе. Вариант А применяется в случае если рабочий диапазон не превышает 2 октавы, вариант В — в случае более широкого рабочего диапазона (практически до 3+4 октав). Вариант С применяется в рефлектометрах для поляризационных измерений, описанных ниже в разделе 2.8. В диагональ волноводного креста помещена делительная пластина. В качестве делительной пластины используется пластина из диэлектрика, или резистивная пленка (в случае рабочего диапазона превышающего 2 октавы) либо решетка из параллельных проводников при поляризационных измерениях.
Возбудитель рабочей моды LM і (см. рис.2.3) выполнен в виде плавного рупорного перехода (1) от одномодового волновода (2) к волноводу увеличенного сечения и симметричного скачка (3) к прямоугольному волноводу «класса полый диэлектрический канал», В выходной части рупора установлены две металлические пластины (5), разделяющие полость рупора на три канала. Назначение скачка и пластин -«приблизить» постоянное (вдоль координаты у) поле моды Ню к косинусоидальному полю моды LMj і.
Согласованные нагрузки выполнялись в зависимости от рабочего диапазона в двух вариантах, отличающихся типом поглощающего элемента. Так, на сантиметровых волнах в качестве поглощающих элементов использовались решетки из резистивных пленок, помещенных в отрезок волновода того же типа, что и волновод направленного делителя мощности (рис.2.4а). На миллиметровых волнах в качестве поглощающих элементов использовались пирамиды из композиционного материала на основе карбонильного железа (рис.4б).
Рефлектометр работает следующим образом (см, рис.2.1). Сигнал от генератора поступает на возбудитель (1), который формирует рабочую волну LMi ] - Рабочая волна проходит через делительную пластину (5) направленного делителя мощности (часть энергии, отраженная пластиной, поглощается согласованной нагрузкой (4)) и попадает на исследуемый образец, расположенный напротив выходной апертуры направленного делителя мощности. Сигнал, отраженный от исследуемого образца, направляется делительной пластиной в приемный возбудитель (2) и далее на приемное устройство. Кроме полезного сигнала на приемник поступает также и паразитный сигнал, ограничивающий величину направленности. Этот сигнал вызван следующими причинами: - отражением от рабочей апертуры, - отражением от согласованной нагрузки, - дифракцией на ребрах волноводного креста. Вклад в паразитный сигнал, обусловленный отражением от рабочей апертуры и согласованной нагрузки, мал и не превышает —50дБ, так что основной причиной, ограничивающей направленность прибора, является дифракция на гранях направленного делителя мощности (волноводного креста) 2.2. Дифракция на ребрах волноводного креста. На рис,2,5а,б,в проиллюстрирован путь волны, образующей полезный сигнал и процесс формирования паразитного сигнала в результате дифракции на ребрах волноводного креста [42]. Так, на рис.2.5а стрелками показан путь волны, образующей полезный сигнал. Этот сигнал возникает лишь при наличии на выходе плеча (III) рефлектометра исследуемого образца. Однако даже в отсутствии образца некоторая часть энергии попадает из плеча (І) в плечо (IV). Величина этой энергии, то есть уровень паразитного сигнала, определяет основную характеристику делителя - его направленность. В образовании паразитного сигнала участвуют два дифракционных механизма- Во-первых, это диффузия пучка электромагнитного поля на выходной апертуре плеча (I) с последующим переотражением части рассеянной мощности в приемное плечо (IV) полупрозрачным зеркалом делителя. Путь этого сигнала показан на рис. 2,5в-Заметим, что этот сигнал присутствует только при наличии делительной пластины.
Реализация метода одновременного измерения диэлектрической и магнитной проницаемостей
Так как используемая рабочая волна LMi і обладает линейной поляризацией, то на базе рефлектометра легко реализуется высококачественное устройство для измерения анизотропных материалов [14]- Для того чтобы выделить кросс-поляризованный сигнал, в схему (см. рис.2-15) помимо основного делителя мощности (4) введен дополнительный делитель мощности «крест-поляризатор» (7), к которому подключен преобразователь (3), развернутый на 90 градусов вокруг оси, совпадающей с направлением распространения волны, Волноводный крест-поляризатор выполнен на основе МДВ с нерезонансными слоями диэлектрика на всех четырех стенках. Он служит для выделения ко- и кросс- составляющих компонент поля отраженной волны. Уровень развязки по поляризациям обусловлен поляризационными характеристиками преобразователя (3) и собственно волноводного креста-поляризатора с поляризующей решеткой (8). Так как преобразователь (3) повернут на 90 вокруг продольной оси, то он, в принципе, принимает только кросс-поляризованную компоненту. Однако реальная развязка поляризаций в преобразователе составляет 20 - 25 дБ. Поскольку поляризующая решетка в кресте (7) обеспечивает дополнительную развязку более 30дБт то полная поляризационная развязка в рефлектометре достигает бОдБ.
Поляризационный квазиоптический рефлектометр работает следующим образом (см. рис.2.15). Сигнал от генератора поступает на возбудитель (1), который формирует рабочую волну LMJI (вектор Ej перпендикулярен плоскости чертежа). Рабочая волна проходит через делительную пластину (5) направленного делителя мощности (часть энергии, отраженная пластиной, поглощается согласованной нагрузкой (4)) и практически полностью отражается поляризующей решеткой (8) на исследуемый образец, расположенный напротив выходной апертуры направленного делителя мощности. Кросс-поляризованная часть отраженной волны (Есг), пройдя сквозь поляризующую решетку (8), попадает через преобразователь (3) в приемный канал. Ко-поляризованная часть (Есо), отразившись от поляризующей решетки (8), через делитель (4) и преобразователь (2) попадает в приемный канал.
Для того чтобы обеспечить максимальную развязку ко и кросс поляризованных компонент, поляризующая решетка должна быть тщательно настроена, для чего крест поляризатор имеет специальное устройство. Рассмотренные выше рефлектометры позволяют проводить измерения коэффициентов отражения и прохождения, диэлектрической и магнитной проницаемостей, а также характеристик обратного рассеяния от физических тел (включая поляризационные характеристики).
Рефлектометры миллиметрового диапазона работают обычно в комплекте с измерителями КСВН серии Р2. В сантиметровом диапазоне используется более совершенная приемопередающая аппаратура типа синтезаторов частот и векторных анализаторов цепей, В последнем случае точность измерений коэффициентов отражений и обратного рассеяния значительно увеличивается. Так, при работе рефлектометра с векторным анализатором цепей (Измеритель комплексных коэффициентов передачи РК4-55) шумовой (остаточный) уровень сигнала не превышает -90 дБ, что в принципе позволяет измерять коэффициенты отражения -70 дБ с точностью ±1 дБ. Столь малый уровень измеряемых коэффициентов отражения достигается за счет вычитания сигнала прямого просачивания, связанного с конечной направленностью делителя мощности рефлектометра, и выделения отраженного сигнала из синтезированного импульсного отклика. Для синтеза импульсного отклика во временной области выполняется преобразование Фурье сигнала, измеренного в частотной области [33,34]. После выделения временного интервала, связанного с исследуемым образцом, производится прямое преобразование Фурье, в результате чего получаются искомые значения коэффициента отражения.
В целом процесс измерения можно описать следующим образом. Во-первых, измеряется сигнал от ненагруженного рефлектометра «„(/,) Здесь fn- дискретный набор частот, n = l,N. Во-вторых, измеряется сигнал от рефлектометра, на выходе которого помещен металлический отражатель Чь(Л) ИУ наконец, измеряется сигнал от рефлектометра, на выходе которого помещен исследуемый образец uob(fn). При этом и отражатель и образец располагаются вплотную к выходной апертуре рефлектометра. Далее выполняются следующие преобразования.
Согласующий переход с переменной анизотропной проводимостью между металлической и импедансной поверхностями
Ниже рассматриваются аналогичные методики для комплекта рефлектометр плюс скалярный анализатор цепей (измеритель КСВН). Основные преимущества рефлектометра при указанных измерениях связаны с высоким коэффициентом направленности и низким уровнем переотражений в измерительном тракте. Так, направленность рефлектометра для диапазона 78-118 ГГц составляет —48 дБ, для диапазона 40 58 ГГц - —38 дБ» для диапазона 270-310 ГГц - -35 дБ. Заметим, что направленность известных измерительных ответвителей значительно ниже, особенно на высоких частотах. К тому же эти ответвители обычно применяются с рупорами, так что уровень паразитных отражений в измерительном тракте и результирующая направленность определяются, в конечном счете, отражением от рупоров, которое, даже в случае плавных рупоров, весьма значительно и обычно составляет около — 25 дБ.
Измерение коэффициента отражения. Квазиоптический рефлектометр в комплекте со скалярным анализатором цепей позволяет измерять не только модуль, но и фазу коэффициента отражения [19,21], Схема измерения комплексного коэффициента отражения приведена на рис.4.1аД Как видно из рисунка 4.1а, при измерении модуля коэффициента отражения \R\ рефлектометр используется в обычном составе, а при измерении фазы р согласованная нагрузка (1) (см. рис.4.1а) заменяется на секцию с подвижным поршнем (короткозамыкателем) (2) (см, рис.4.16).
Измерение модуля и фазы позволяет проводить измерения диэлектрической и магнитной проницаемости, например, методом короткого замыкание и холостого хода [1,3] При этом измерение модуля коэффициента отражения проводится по методике аналогичной известной рупорной методике измерения отражения от плоских образцов. Как отмечалось в работе [3] основными погрешностями в рупорной методике являются инструментальная погрешность измерителя КСВН Д,, погрешность из-за отражения от рупора Д2, погрешность из-за вытекания волны между образцом и рупором Д3 и погрешность из-за преобразования рупорной волны на плоском образце Д4. Погрешность Д4 носит систематический характер и поэтому ее можно исключить. Погрешность Д25 связанная с отражением от рупора и конечной направленностью ответвителя, определяется следующей формулой [3]: где я - измеряемый коэффициент отражения, \RQ\ - эффективный коэффициент отражения, зависящий от величины коэффициента отражения от рупора, направленности ответвителя и качества стыка рупора и ответвителя. Типичная величина \И \—20 дБ складывается из величины отражения от рупора (-25 дБ) и величины направленности ответвителя (-30 дБ), Величина \Я \ для квазиоптических рефлектометров на 15-г-20 дБ ниже, что позволяет измерять с соответствующей точностью коэффициенты отражения на 15-=-20 дБ меньшие, чем в рупорной методике. Погрешность Д3 в данном случае отсутствует, так как исследуемый образец располагается вплотную к выходной апертуре рефлектометра. На рис.4.2. приведены результаты измерений лавсановых пленок разной толщины. Из сравнения с рассчитанными данными (кривые отмеченные крестиками) видно, что точность измерения коэффициента отражения до —20 дБ не хуже ±1 дБ и — до -30 дБ не хуже ±1.5 дБ. В так называемой методике с подвижным образцом [3] точность также значительно повышается, так как эта методика основана на интерференции измеряемого сигнала с фоновым сигналом измерительной установки. При использовании квазиоптических рефлектометров фоновый сигнал определяется в основном отражением от выходной апертуры рефлектометра и составляет —50-60 дБ, т.е. значительно ниже, чем при использовании рупоров. Так как глубина интерференции возрастает, когда амплитуды сигналов сравнимы, то соответственно понижение уровня фона позволяет измерять меньшие уровни отражения. Опыт показывает, что в данном случае минимальный уровень измеряемых коэффициентов отражения определяется чувствительностью аппаратуры и составляет -40 - -45 дб.
При измерениях с подвижным образцом величина коэффициента отражения находится по формуле [3] коэффициенты отражения, измеренные при двух положениях образца, отличающихся друг от друга на расстояние Х/2, знак + или - выбирается в зависимости от того больше или меньше величина \Щ чем \RQ j. Ошибка Д3, связанная с вытеканием энергии волны между образцом и выходной апертурой рефлектометра, значительно меньше, чем в рупорной методике, в силу особенностей структуры поля металлодиэлектрического волновода (уменьшения амплитуды поля при приближении к стенкам волновода). На рис.4.3 приведена зависимость изменения величины коэффициента отражения от исследуемого образца при удалении его от входной апертуры рефлектометра. Как видно из графика, изменение коэффициента отражения при перемещении образца на Х/2 (для данного случая это примерно 1.5 см) составляет величину порядка 0.1 дБ, что является совершенно незначительной величиной при таких измерениях.
