Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1. Анализ известных средств неразрушающего контроля изделий из диэлектриков . 11
1.1. Постановка задачи 11
1.2. Влияние климатических и эксплуатационных факторов на формирование радиотехнических характеристик стеклопластиковых радиопрозрачных укрытий 14
1.3. Возможности средств эксплуатационного и производственного контроля изделий из стеклопластиков. 19
1.4. Радиоволновые методы измерений параметров диэлектрических материалов. 22
1.5. Выводы и постановка задач исследований 27
Раздел 2. Анализ взаимодействия полей антенн-датчиков с исследуемыми материалами при измерении параметров РПУ методом радиоволнового контроля . 30
2.1. Постановка задачи 30
2.2. Анализ полей зондирующих электромагнитных волн в зоне взаимодействия с ОК при оперативном методе контроля 31
2.3. Влияние неоднородности композиционного материала панелей и элементов конструкции РПУ на результаты радиоволнового контроля. 57
2.4. Основные результаты и выводы 63
Раздел 3. Методика контроля затухания радиоволн и угловой ошибки, вносимых РПУ 64
3.1. Радиоволновый контроль крупногабаритных радиопрозрачных панелей 64
3.2 Методика измерений РТХ РПУ в условиях эксплуатации по данным локального контроля 70
3.3. Методика эксплуатационного контроля для произвольных углов облучения РПУ. 76
3.4. Организация мероприятий эксплуатационного радиоволнового контроля 83
3.5. Основные результаты и выводы 87
Раздел 4. Аппаратурная реализация технріческих средств радиоволнового эксплуатационного контроля 88
4.1. Антенные системы для средств радиоволнового контроля. 88
4.2. Выбор схемы СВЧ генератора при аппаратурной реализации эксплуатационного радиоволнового контроля РПУ . 94
4.3. Прибор для оперативного контроля затухания в панелях крупногабаритных радиопрозрачных укрытий. 104
4.4. Методика использования прибора 111
4.5. Погрешности измерений, возникающие при применении технических средств радиоволнового контроля. 115
4.6. Основные результаты и выводы 120
Заключение 121
Литература
- Влияние климатических и эксплуатационных факторов на формирование радиотехнических характеристик стеклопластиковых радиопрозрачных укрытий
- Анализ полей зондирующих электромагнитных волн в зоне взаимодействия с ОК при оперативном методе контроля
- Методика измерений РТХ РПУ в условиях эксплуатации по данным локального контроля
- Выбор схемы СВЧ генератора при аппаратурной реализации эксплуатационного радиоволнового контроля РПУ
Введение к работе
В настоящее время в войсках активно применяются РПУ антенн СВЧ во многих частях специального назначения (ПВО, космической связи, на аэродромах). Назначение РПУ — защита антенных устройств систем связи диапазона СВЧ и радиолокационных станций от воздействия внешней среды. Из известных радиосистем, работающих с РПУ можно отметить следующие: «Кристалл», «Подснежник», «Куб — Контур», «Тамань - МС».
Параметры диэлектрических материалов, из которых изготавливаются радиопрозрачные укрытия антенн СВЧ, в значительной мере определяют функциональные возможности укрываемых ими антенных систем. Исследование и контроль данных параметров в процессе эксплуатации системы «антенна - РПУ» являются важными задачами, решение которых позволит отслеживать изначально заданные свойства всего объекта. Особое внимание следует уделять исследованию поведения диэлектриков при внешних воздействиях. Агрессивное внешнее воздействие на диэлектрические материалы может существенно изменить важнейшие характеристики системы «антенна-РПУ», вплоть до вывода её из строя.
В мирное время основными внешними факторами, влияющими на целостность и заданную диэлектрическую проницаемость стеклопластиковых панелей РПУ, являются факторы климатические, в военное добавляются поражающие факторы ядерного взрыва. Воздействуя на поверхность РПУ, они постепенно, частично или полностью (в зависимости от интенсивности влияния) разрушают ее, способствуют расслоению стеклопластика, ухудшению механической прочности, затеканию воды и изменяют диэлектрические свойства панелей. Если, к тому же, данное РПУ имело заводской брак, например, «непроклей», то неблагоприятные для радиопрозрачного укрытия воздействия внешних факторов усиливаются.
Существующие методы эксплуатационного контроля и обслуживания крупногабаритных РПУ часто сводятся лишь к внешнему осмотру объекта. Произвести полную оценку состояния РПУ, сделать вывод о возможности его дальнейшей эксплуатации, можно лишь переместив РПУ в условия измерительного полигона, что затруднительно исходя из экономических и временных соображений, т.к. это требует демонтажа всего изделия и транспортировки его к месту измерений.
Методы контроля и принципы построения контрольно-измерительной аппаратуры, существующие в настоящее время, не удовлетворяют необходимым требованиям и обычно ориентированы на лабораторные условия. Поэтому разработка методик контроля, принципов построения контрольно-измерительной аппаратуры, применительно к организации оперативного эксплуатационного контроля радиопрозрачных укрытий антенн СВЧ является актуальной.
В настоящей работе рассматривается решение задачи построения оперативного метода контроля РТХ РПУ применительно к условиям эксплуатации крупногабаритных РПУ, изготавливаемых из композиционных материалов.
Целью работы является повышение надежности функционирования систем СВЧ связи, антенны которых работают под радиопрозрачными укрытиями, за счет организации оперативного периодического контроля технического состояния радиопрозрачных укрытий в процессе эксплуатации объекта связи.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие основные проблемные задачи:
• Анализ электродинамических процессов взаимодействия между антенной-датчиком и укрытием, расположенным в ближней зоне излучения.
• Анализ возможных путей измерения параметров радиопрозрачных укрытий в условиях эксплуатации антенных систем СВЧ связи.
• Разработка метода оперативного контроля качества радиопрозрачных укрытий путем интегрированной оценки данных локального контроля.
• Анализ погрешностей измерения параметров радиопрозрачных укрытий антенн СВЧ связи, возникающих за счет переотражений между антенной-датчиком и укрытием.
• Разработка рекомендаций по построению технических средств оперативного контроля качества РПУ антенн систем связи с учетом эксплуатационных факторов.
Для достижения цели исследований применялись следующие методы исследований: методы теории измерений, численные методы, теория антенн, методы электродинамики СВЧ, теория графов, классические разделы математического анализа.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
• Предложена новая физическая модель процесса контроля технического состояния радиопрозрачных укрытий антенн СВЧ, отличающаяся тем, что параметры РПУ для дальней зоны излучения определяются по результатам их измерения в локальных областях ближней зоны.
• Разработан новый метод оперативного контроля радиотехнических характеристик РПУ на основе применения радиоволновых методов измерения, позволяющий выполнять все виды периодического технического контроля РПУ во всей полосе частот группового тракта системы связи, что повышает надежность ее функционирования.
• Выполнен анализ погрешностей измерений параметров РПУ в ближней зоне при локальном контроле, на основе чего разработаны рекомендации по уменьшению случайных и методических погрешностей измерений.
• Разработана измерительная аппаратура для выборочного контроля затухания электромагнитных волн в стенке радиопрозрачного укрытия, позволяющая организовать периодический эксплуатационный контроль.
Практическая значимость.
На основании полученной методики и расчётных формул разработана реализующая их структурная схема установки радиоволнового метода с достаточной точностью измерения диэлектрической проницаемости. Разработаны рекомендации по построению технических средств оперативного контроля параметров РПУ и прибор для измерения радиотехнических характеристик РПУ в процессе его эксплуатации.
Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, используются на производстве в ОАО «Механический завод» и в учебном процессе и научных исследованиях на кафедре «Техническое обеспечение связи и АСУ» Военного университета связи (филиал г. Ульяновск).
Положения, выносимые на защиту:
• Результаты анализа электродинамических процессов взаимодействия между антенной-датчиком и укрытием, расположенным в ближней зоне излучения.
• Результаты анализа возможных путей измерения параметров радиопрозрачных укрытий в условиях эксплуатации антенных систем СВЧ связи.
• Метод оперативного контроля качества радиопрозрачных укрытий путем интегрированной оценки данных локального контроля.
• Результаты анализа погрешностей измерения параметров радиопрозрачных укрытий антенн СВЧ связи, возникающих за счет переотражений между антенной-датчиком и укрытием.
• Рекомендации по построению технических средств оперативного контроля качества РПУ антенн систем связи с учетом эксплуатационных факторов
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на следующих конференциях: всероссийская конференция «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических сиетем» (г. Ульяновск, 2001г.), IX Международной НТК «Оптические, радиоволновые и тепловые методы контроля качества материалов, промышленных изделий и окружающей среды» (Ульяновск, 2004), школа-семинар УлГТУ и ИРЭ РАН «Актуальные проблемы физической и функциональной электроники» (г. Ульяновск, 2002 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них 5 статей и тезисы 7 докладов.
Объём диссертации и её структура. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх разделов, заключения, списка литературы из 103 наименований и 2-х приложений. Общий объём работы - 134 страницы, 34 рисунка и 1 таблица.
В первом разделе диссертации выполнен обзор общих характеристик диэлектриков, подробно рассмотрено влияние внешних факторов на техническое состояние стеклопластиковых радиопрозрачных укрытий (РПУ). Представлены возможности средств эксплуатационного и производственного контроля изделий из стеклопластиков. Для реализации измерений параметров РПУ в процессе его эксплуатации наиболее приемлемыми по простоте осуществления и информативности из всех, описанных в литературе радиоволновых методов, выбраны методы измерений параметров диэлектриков по коэффициенту отражения ("измерение на отражение") и методы измерений диэлектриков по коэффициенту прохождения ("измерение на просвет").
Во втором разделе проанализированы поля зондирующих электромагнитных волн радиоволновых антенн - датчиков, что дало возможность определить области их применения, определить теоретически величины методических погрешностей, возникающих при выполнении контроля в зоне Френеля и предложить конструкции с уменьшенными методическими погрешностями измерений. Выполнена качественная оценка влияния неоднородности композиционного материала панели РПУ на величину погрешности радиоволнового контроля, что дало возможность выявить и учесть систематическую ошибку, зависящую от расстояния между диэлектрической панелью и антенной-датчиком. Выработаны рекомендации по проектированию антенн-датчиков, используемых при радиоволновом контроле в режимах «на просвет» и на «отражение».
В третьем разделе предложена и проанализирована измерительная радиоволновая система для локального контроля затухания электромагнитных волн в стенке панелей РПУ, позволяющая организовать оперативный контроль радиорозрачных укрытий антенн СВЧ. Разработана методика выборочного эксплуатационного радиоволнового контроля затухания, вносимого панелью РПУ, приспособленная к реальным условиям эксплуатации системы «антенна — РПУ» и привязанная к реальным углам падения электромагнитной волны на РПУ. Сделан вывод о том, что данная методика может являться базой для построения аппаратуры объективного эксплуатационного контроля затухания электромагнитной волны в панелях РПУ. Даны конкретные рекомендации по организации процедур оперативного контроля в условиях эксплуатации РПУ.
В четвертом разделе рассмотрены возможности и предложены конструкции конкретных антенных систем для аппаратурной реализации радиоволнового контроля крупногабаритных радиопрозрачных укрытий в процессе их эксплуатации. Проанализированы известные схемы СВЧ генераторов с позиции наименьших фазовых искажений. Для аппаратурной реализации эксплуатационного радиоволнового контроля РПУ предложено использовать схему генератора на диоде Ганна. Дано описание функциональной и принципиальной схемы прибора для оперативного контроля затухания в панелях крупногабаритных радиопрозрачных укрытий. Подробно описана методика использования данного прибора. Произведен анализ погрешностей измерений, возникающих при применении технических средств радиоволнового контроля.
Влияние климатических и эксплуатационных факторов на формирование радиотехнических характеристик стеклопластиковых радиопрозрачных укрытий
Кроме того, диэлектрические панели характеризуются диапазоном рабочих частот, в которых затухание электромагнитных волн не превышает определенной величины.
Все вышеперечисленные радиотехнические характеристики диэлектрических панелей зависят от состава и структуры материала [73,47,28], которые под воздействием солнца, атмосферных и климатических явлений могут частично изменятся, что, в конечном итоге, приводит к искажениям передаваемого сигнала и изменению диаграммы направленности укрываемой антенны.
Рассмотрим подробнее влияние на радиотехнические характеристики стеклопластиковых радиопрозрачных конструкций внешних факторов и процессов, происходящих в атмосфере [28,45].
Основными внешними факторами, влияющими на целостность и заданную диэлектрическую проницаемость стеклопластиковых панелей РПУ, являются: - влияние температурных перепадов; - воздействие ветра; - воздействие осадков в виде дождя, снега и града; - совокупность влияния ветра, осадков и крайних температур.
Первый из перечисленных факторов особенно актуален для тех районов страны, где имеется ярко выраженный континентальный климат, сопровождаемый большой разницей дневных и ночных температур. При сильном изменении температуры пограничного слоя РПУ внутри его стенок устанавливается достаточно большой температурный градиент, что приводит к определенным механическим напряжениям и, в дальнейшем, с течением времени, к частичному разрушению поверхностного слоя стеклопластиковых панелей РПУ.
Следующие два фактора, влияя на РПУ, в отдельности друг от друга, все же наибольшее разрушение оказывают, воздействуя на стеклопластико-вые панели в совокупности, вызывая тем самым эрозию поверхностного слоя. Под воздействием ударов капель дождя (града или снега) происходит унос материала его панелей, приводящий к постепенному разрушению РПУ. Систематические эксперименты показали [45], что величина эрозии пропорциональна интенсивности дождя, а так же существенно зависит от скорости ветра и угла, образуемого вектором скорости ветра и поверхностью РПУ.
Спрогнозировать степень и длительность разрушения РПУ можно с помощью специальных установок для воспроизведения условий работы укрытия в зоне дождя. На них можно воспроизводить удары дождевых капель при заданных условиях, повторяя или изменяя по необходимости размер капель, скорость и частоту их ударов, и воздействие ветровых нагрузок.
Определенно, что вершина РПУ будет значительно больше подвергаться эрозии, чем боковые поверхности. Интенсивность эрозии существенно зависит от состояния поверхности стеклопластиковых панелей РПУ и увеличивается из-за неровностей, пузырьков и раковин.
Совокупность воздействия большой температуры и ветра приводит к возникновению тепловой эрозии. В этом случае ветер, при обтекании нагретого тела уносит с его поверхности частицы материала, что, со временем, в конечном итоге, так же приводит к разрушению поверхностного слоя РПУ.
Кроме того, в определенное время года, при выпадении осадков в виде мокрого снега и дождя, при сильном ветре может происходить оледенение поверхности РПУ, что так же способствует изменению его радиотехнических характеристик.
Эти неблагоприятные факторы, воздействуя на РПУ, разрушают его поверхность, способствуют расслоению стеклопластика, ухудшению механи ческой прочности, затеканию воды и изменяют диэлектрические свойства панелей. Если, к тому же, данное РПУ имело заводской брак, например, «не-проклей», то неблагоприятные для радиопрозрачного укрытия воздействия внешних факторов усиливаются.
При оценке влияния РПУ на характеристики излучения расположенной под ним антенны, в первую очередь, необходимо учесть изменение величины коэффициента усиления, искажений основного и боковых лепестков и пространственного смещения диаграммы направленности. Рассматривая процесс излучения антенны, при наличии РПУ и, анализируя характеристики системы антенна-обтекатель на фоне вышеперечисленных внешних воздействий можно сделать вывод, о том, что существенно усилятся следующие основные факторы, приводящие к искажению диаграмм направленности:
- фазовые и амплитудные искажения фронта проходящей через РПУ волны за счет различных набегов фазы и отражений от поверхности обтекателя для разных участков волнового фронта падающей волны;
- вторичные волны, возбуждаемые падающей волной, на участках РПУ с резкими нарушениями регулярности его поверхности или участках затекания воды, границы которых соизмеримы с длиной волны; - поверхностные волны, возбуждаемые падающей волной на РПУ; - многократные отражения между поверхностью РПУ и раскрывом антенны.
При анализе состояния РПУ, в конечном итоге, представляет интерес степень искажения диаграммы направленности расположенной под ним антенны, которая изменяется при отклонении радиотехнических характеристик РПУ от первоначально заданных. Что бы учесть все факторы, возникающие в процессе работы РПУ и оперативно влиять на изменение его технического состояния необходимо разработать и внедрить эффективные методы измерения его параметров в процессе эксплуатации.
Анализ полей зондирующих электромагнитных волн в зоне взаимодействия с ОК при оперативном методе контроля
Измерения параметров диэлектрических панелей РПУ в условиях без-эховой камеры и стенда СПРО производится с использованием антенн, удаленных от исследуемого плоского слоя диэлектрика на определенное расстояние. При выполнении измерений в эксплуатационных условиях отсутствует возможность выдерживать расстояние дальней зоны, так как при этом значительно возрастают ошибки измерений, связанные с интерференцией за счет волн, отражающихся от окружающих предметов и оборудования. По этому для измерений лучше использовать антенны-датчики малых размеров, которые можно размещать на близком расстоянии от РПУ, и обеспечивать, таким образом, значительно меньшие расстояния до границ дальних зон излучения, по сравнению со штатными антеннами. Кроме того, можно использовать контактные антенны-датчики, применяемые для измерений параметров диэлектриков. Понятно, что в таких условиях целесообразно использовать простые виды излучателей, например, типа открытых концов волноводов, рупорных или стержневых антенн. Собственными информативными характеристиками излучателей являются диаграммы направленности - для методов радиоволнового контроля "на просвет" и входная проводимость - для методов радиоволнового контроля "на отражение". [33,2,79,42]
Для разработки оперативного метода радиоволнового контроля стекло-пластиковых конструкций необходимо рассмотреть вопросы взаимодействия их полей с исследуемыми материалами.
Рассмотрим поле излучения волновода-датчика через плоский слой диэлектрика. Решение данной задачи ранее рассматривалось в электродинамике [29,7] поэтому необходимо рассмотреть этот вопрос лишь для определения свойств диэлектрического материала. Пусть плоскопараллельный волновод, показанный на рис.2.1, бесконечный в направлении оси X, через щель в экране, и однородный бесконечный лист диэлектрика толщиной d излучают электромагнитное поле в свободное пространство. Волновод возбуждается волной типа Н.
Поле такого излучателя можно найти, применив аналитические асимптотические методы или численные методы.
Тогда суммарное поле определяется выражением: Ez(rte) = Ey(rB)+ ZResOt), (2.7) где ві = Re]gt), N- количество корней знаменателя выражения (2.5), определяющее число вытекающих и поверхностных волн. Очевидно, что N зависит от параметров диэлектрика є и d, а также от значений рабочей длины волны Я0.
Поверхностные волны (ПВ), существующие в диэлектрике при углах в = — и имеющие достаточно большую амплитуду, могут существенно сни жать точность измерений за счет различных отражений от исследуемых поят верхностей. Их излучение в направлении 0 = — может в значительной степе ни исказить диаграмму направленности антенны, что также увеличит погрешность измерений. Вытекающие волны (ВВ) так же вносят свой вклад в поле излучения при углах О 0 —, образуя при этом ярко выраженные пики в диаграмме направленности.
На рис.2.2 приведены нормированные диаграммы направленности, рассчитанные по (2.5) при D =Я0; 1 - без диэлектрика, 2-е диэлектриком (є= 4, d= 0,25 /), и при D = 0.25 Д,; 3 - без диэлектрика; 4-е диэлектриком (є = 4, d= 1,25 Д). Линия 4 показывает наличие поля вытекающих волн в направлении в =56, но, при определенном увеличении размеров апертуры диаграмма направленности снова обретает гладкую форму. Влияние поля ПВ на характеристики излучения показано на рис.2.3 (а), где =6, d/ = 147 и рис.2.3 (б), где Р„ - мощность ПВ. 1,0 0,7 0,8 б) Рис. 2.3. а) влияние поля ПВ на характеристики излучения при различных значениях A/d. б) влияние поля ПВ на характеристики излучения при различных значениях dlD.
Из анализа рис.2.2-2.4 следует, что влияние ПВ и ВВ на характеристики излучения можно существенно уменьшить выбором оптимальных размеров апертуры D и подбором возбуждающего поля G0(k0sin9). Искомые параметры материала, покрывающего апертуру, определяются через характеристики поля Ez(r,9) в направлении угла 9 при известных распределениях поля в раскрыве, определяющих вид функции G0(k0 sin 9), за счет изменения модуля и фазы комплексного коэффициента прохождения электромагнитных волн через образец [7,34].
Методика измерений РТХ РПУ в условиях эксплуатации по данным локального контроля
Для оценки значения затухания электромагнитных волн в РПУ рассмотрим изолированную систему «антенна-РПУ», показанную на рис.3.4, для чего воспользуемся приближенными методами решения подобных задач, например, апертурным методом [81,50], дающим в большинстве случаев ошибки на уровне (-15 -20) дБ. Теоретически возможно найти поле излучения системы антенна-РПУ еще и численными способами, используя методы собственных функций [81,45] и интегральных уравнений [50,6], но для апертур-ных антенн такие задачи также не разрешимы из-за ограниченных ресурсов доступных потребителям современных ЭВМ. га _ п пУо геом г? 2 т? 2 /1 Q\ Fnp :—з—« 4ктг где, в соответствии с рис.3.1, Рп - мощность, подводимая от СВЧ генератора к передающей антенне; G„- коэффициент усиления передающей антенны; г расстояние между передающей и приемной антеннами; v# - коэффициент использования поверхности (КИП) приемной антенны, определяемый для рабо ф ты антенны в свободном пространстве; Sze0M - геометрическая площадь рас крыва передающей антенны в направлении на приемную антенну; Fn - значение нормированной характеристики направленности приемной антенны, находящейся в свободном пространстве, в направлении на передающую антенну.
Следовательно, численное значение Рпр\ зависит от величины суммарного КИП и от формы диаграммы направленности приемной антенны. Общее значение КИП приемной антенны обычно представляется в мультипликативной форме: я v0=/7,v/, (ЗЛО) где У/ - значения частных составляющих КИП, учитывающих влияние отдельных факторов на работу антенны, к числу которых относятся: коэффициент полезного действия антенны, апертурный КИП, составляющая КИП, учитывающая ошибки изготовления антенны и т.п.
Общеизвестно, что в целом значение КИП наиболее существенно зависит от значения апертурного КИП, связанного с законом распределения эквивалентного излучающего тока в апертуре антенны при работе ее на передачу: va = (ЗЛІ), Sal sisg, dSg где Sa- площадь апертуры антенны; Е(х,у)- комплексная амплитуда поля в апертуре антенны при работе ее в режиме на передачу в точке с координатами (х,у). В данном случае, в качестве апертуры обычно выбирается раскрыв антенны, но может использоваться любая поверхность, например, участок плоскости, параллельный раскрыву и отстоящий от него на некоторое расстояние. Расстояние до апертуры выбирается таким, чтобы имелась возможность расчета распределения эквивалентных излучающих токов в апертуре через характеристику направленности РПУ антенны в приближении геометрической оптики [45,41 ].
Что бы учесть влияние РПУ на работу антенны построим апертуру как показано на рис. 3.4. При этом, как и раньше, для величины принятой антенной мощности можно записать: Рт = А. - v„„ F" пр2 ао ао, (3.12) где Fao - значение нормированной характеристики направленности системы антенна-РПУ в направлении на передающую антенну; vao - коэффициент использования поверхности системы антенна-РПУ, также, в основном, определяемый значением апертурного КИП.
Используя метод геометрической оптики, можно найти поле в построенной апертуре, если известно поле в раскрыве приемной антенны, находящейся в свободном пространстве, в режиме на передачу. Поле в апертуре вычисляется через коэффициент передачи стенки РПУ и КИП системы «антенна-РПУ». Его можно записать в виде: SsaTao ga V = уао Sa Ea(sg]2dSg (3.13) где Тао(х, у) - комплексное значение коэффициента прохождения волны в приближении геометрической оптики от точки раскрыва антенны с координатами (S) в соответствующую точку апертуры в системе антенна-РПУ Величина Та0 зависит от следующих факторов: - от формы стенки РПУ и от формы антенны; - от значения коэффициента прохождения луча через стенку РПУ в приближении плоской волны Т0;
Выбор схемы СВЧ генератора при аппаратурной реализации эксплуатационного радиоволнового контроля РПУ
Изменение величины зазора d между частями 3 и 4 фокусирующей линзы происходит за счет перемещения обоймы 2 по резьбовому соединению с рупором 1. Сам зазор выполняет функцию согласующего трансформатора для принимаемой электромагнитной волны. По описанной выше методике, за счет выбора величины зазора достигается одномодовый режим. Линзовая антенна рассчитывается по методике, предложенной выше. По интегрируемым амплитудным распределениям для (4.7), существующим в апертурных таблицах [87], погрешности расчета распределения поля в главном максимуме в фокусе антенны не превышают 5%.
Отличительной чертой данной антенны является наличие диэлектрического стержня 2, изготовленного из материала с высокой диэлектрической проницаемостью, которая дает возможность значительно уменьшить боковое излучение антенны. Независимо от выбранной схемы измерений ошибки, возникающие в процессе измерения, будут существенно связаны со стабильностью СВЧ генератора по частоте. Нестабильность СВЧ генератора приводит к фазовым искажениям сигналов, вызванным неидеальным согласованием отдельных элементов СВЧ тракта, разностью длин опорного и измерительного каналов, фазочастотными характеристиками функциональных СВЧ элементов. Что бы избежать влияния этих факторов на погрешности измерений, необходимо применять СВЧ генераторы с использованием системы стабилизации частоты. На практике применяются СВЧ генераторы с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) [63,18] и генераторы со стабилизацией частоты за счет использования высокодобротного объемного резонатора [18,19]. Определенная нестабильность частоты в данных генераторах существует, но она незначительна и составляет для систем со стабилизирующим резонатором 70" 5-/0"6, а для систем с ФАПЧ -1(Т7, если используется кварцевый генератор и если применен рубидиевый или цезиевый эталон частоты. Структурная схема генератора с ФАПЧ показана на рис. 4. СВЧгенератор Направленный ответвитель _fc. Выходной сиг нал Эталон частоты
Генератор с ФАПЧ. Использование данной схемы, несмотря на ее сложность, необходимо при измерениях относительной диэлектрической проницаемости с погрешностью менее одного процента.
Требования к фазовым измерениям, указанные выше, существенно ограничивают количество возможных фазоизмерительных схем, которые можно было бы применить в аппаратуре эксплуатационного контроля параметров диэлектриков. Рассмотрим основные схемы.
Основная схема для измерения фазового сдвига в диапазоне СВЧ показана на рис. 4.5: 1 - СВЧ — генератор, 2 - делитель мощности 1-й, 3 — балансный модулятор, 4 - измеряемый образец, 5 - низкочастотный генератор, 6 -смеситель 1-й, 7 — делитель мощности 2-й, 8 - делитель мощности 3-й, 9 -фазовращатель на ті/2, 10 - смеситель 2-й, 11 - низкочастотный измеритель отношений. Это гомодинная схема с использованием амплитудного балансного модулятора в измерительном канале. К смесителям по опорному каналу подводится уровень мощности, который должен превышать уровень мощности в измерительном канале на 10 дБ и более.
Если учесть, что выходные сигналы Еи и ри смесителей после фильтрации измеряются на частоте модуляции, а смесительные диоды имеют квадратичную характеристику, то напряжения будут описываться следующими выражениями: Uj = AjEgE coslipT-foo-ip cosint+y) U2 = А2ЕОЕи\ \"П[Рт-( Р0- Рп)]сз(&+ / ) где А Аг — коэффициенты преобразования смесителей. НЧ - измеритель отношений будет иметь выходной сигнал в виде [22,11,23]: ивых = [А/АУ[ РЛ Ро- Ри)] (4.11)
Итак, при одинаковых параметрах смесителей, тщательной настройке постоянного фазовращателя и одинаковых характеристиках 2-го и 3-го делителей мощности выходной сигнал измерителя отношений позволяет определить фазу коэффициента прохождения через образец диэлектрического материала.
При реализации такой схемы измерения фазовых сдвигов необходимо обеспечить идентичность смесителей и нелинейность выходного сигнала. Кроме того, при малой амплитуде сигнала на выходе одного из смесителей, будут наблюдаться значительные погрешности измерений. Все вышеперечисленное можно отнести к недостаткам такой схемы измерения фазовых сдвигов. Именно поэтому, на практике часто применяются схемы с переносом фазовых измерений на низкую частоту.
