авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

Землянухин Юрий Петрович

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ

РАДИОМАТЕРИАЛОВ, АКТИВНО ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ С

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ МИЛЛИМЕТРОВОГО

ДИАПАЗОНА 01.04.03 – Радиофизика Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат физ. мат. наук, доцент В.И. Сусляев Томск - 2014 Список обозначений ГКЧ – генератор качающейся частоты;

ДН – диаграмма направленности антенны;

ДС – детекторная секция;

ИЯ – измерительная ячейка;

КРМ – композиционный радиоматериал;

КСВн – коэффициент стоячей волны по напряжению;

МУНТ – многостенные углеродные нанотрубки;

ОУНТ – одностенные углеродные нанотрубки;

ПММА – полиметилметакрилат;

ПП – полипропилен;

ПС – полистирол;

ПСКМ – пеностеклокристаллический материал;

ПСМ – пеностекольный материал;

ПЭ – полиэтилен;

СВЧ – сверх высокочастотный;

СОП – стандартный образец предприятия;

ФМЖ – ферромагнитные жидкости;

ЦКП – центр коллективного пользования;

ЭМВ – электромагнитные волны;

ЭМИ – электромагнитное излучение;

ЭМС – электромагнитная совместимость;

*=' – i" – комплексная диэлектрическая проницаемость;

µ*=µ' – iµ" – комплексная магнитная проницаемость.

ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................... 1 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ РАДИОМАТЕРИАЛОВ, АКТИВНО ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ С ИЗЛУЧЕНИЕМ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР............................................................................................................................. 1.1 Экранирование электромагнитного излучения................................................ 1.2 Современные материалы, используемые для экранирования........................ 1.3 Современные методы экспериментального исследования спектров диэлектрической и магнитной проницаемости...................................................... 1.4 Постановка задачи перед диссертационной работой...................................... 2 МЕТОД «СВОБОДНОГО ПРОСТРАНСТВА» ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ С БОЛЬШИМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПОТЕРЯМИ.................................... 2.1 Обоснование выбора метода измерений........................................................... 2.2 Рупорные антенны.............................................................................................. 2.3 Элементы измерительного тракта..................................................................... 2.4 Линзовый волновод............................................................................................. 2.5 Экспериментальная проверка линзового волновода....................................... Выводы....................................................................................................................... 3 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ОТКЛИКА ПЛОСКИХ ОБРАЗЦОВ МЕТОДОМ «СВОБОДНОГО ПРОСТРАНСТВА»....................... 3.1 Измерительный комплекс на основе скалярного анализатора цепей............ 3.2 Измерительный комплекс с квазиоптическими линзами.........

...................... 3.3 Измерительный комплекс с линзовым волноводом........................................ 3.4 Измерительный комплекс на основе векторного анализатора цепей............ 3.5 Достоверность и погрешность измерений........................................................ Выводы....................................................................................................................... 4 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ РАДИОМАТЕРИАЛОВ............................................................................................. 4.1 Выбор материалов исследования...................................................................... 4.2 Электромагнитные характеристики пеностеклокристаллического материала..................................................................................................................................... 4.2.1 Технология получения и основные физико-химические свойства......... 4.2.2 Электромагнитные свойства....................................................................... 4.3 Исследование электромагнитных характеристик мезопористых полимеров 4.3.1 Основные физико-химические свойства мезопористых полимеров...... 4.3.2 Электромагнитные свойства....................................................................... 4.4 Электромагнитные характеристики композитов на основе многостенных углеродных нанотрубок и наноструктурного оксидного ферримагнетика........ 4.4.1 Синтез многостенных углеродных нанотрубок........................................ 4.4.2 Электромагнитные характеристики композитов на основе МУНТ в полистирольной (ПС) матрице............................................................................ 4.4.3 Электромагнитные характеристики композитов на основе МУНТ в матрице из полиметилметакрилата (ПММА).................................................... 4.4.4 Электромагнитные характеристики композитов на основе МУНТ в полиэтиленовой (ПЭ) матрице............................................................................. 4.4.5 Электромагнитные характеристики композитов на основе МУНТ и гексаферритов в полимерной матрице на основе полиметилметакрилата..... 4.4.6 Сравнение электромагнитных характеристик композитов на основе МУНТ в различных полимерных матрицах....................................................... Выводы....................................................................................................................... ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................... СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.................................................. ПРИЛОЖЕНИЕ А Патент на изобретение............................................................... ПРИЛОЖЕНИЕ Б Решение о выдаче патента на полезную модель..................... ПРИЛОЖЕНИЕ В Справка о внедрении в учебный процесс................................ ВВЕДЕНИЕ Актуальность проблемы. Неуклонный рост применения устройств, использующих высокочастотную радиоэлектронику, приводит к возрастанию суммарного электромагнитного загрязнения не только в производственных и научных, но и в бытовых помещениях, что требует принятия мер защиты, ослабляющих вредное воздействие электромагнитного излучения (ЭМИ). Во многих случаях снижения уровня электромагнитного излучения, требуемого медицинскими нормами, рациональным размещением оборудования и удалением его от биологических объектов достичь не удается. Задача может быть решена применением материалов, активно взаимодействующих с ЭМИ, которые, отражая или поглощая электромагнитную энергию, обеспечивают безопасную интенсивность. Другой современной проблемой является обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС). Электромагнитная обстановка представляет собой совокупность электромагнитных полей в заданной области пространства, которая может влиять на функционирование конкретного радиоэлектронного устройства или биологического объекта. Не менее важной проблемой настоящего времени является разработка средств защиты объекта от утечки информации по техническим каналам. Представляемый рынком обширный ряд радиоматериалов, которые могут применяться для экранирования или поглощения электромагнитной энергии, не полностью обеспечивает потребности в легких, негорючих, влагостойких, долговечных защитных устройствах доступных по цене. Поэтому разработка новых радиоматериалов остается востребованной научной задачей. Целенаправленный синтез исходных материалов и построение конструкций на их основе невозможно осуществить, не прибегая к экспериментальным исследованиям электромагнитных характеристик в широком диапазоне частот.

В связи с этим, исследование электромагнитных характеристик новых материалов, которые эффективно отражают или поглощают ЭМИ, с целью выбора оптимального состава или строения, отработка достоверных методик измерения и измерительных средств являются актуальными задачами.

Важное значение имеет выбор участка частот, в котором необходимо производить исследование. С этой позиции представляет интерес граница СВЧ и КВЧ диапазонов электромагнитного излучения, где отмечаются взаимоисключающие отличия в механизмах воздействия на медицинские объекты: микроволны сантиметрового диапазона оказывают иммуномодулирующее действие [1] и вызывают иммуносупрессию, а излучение миллиметрового диапазона, напротив, вызывает иммуностимулирующее действие [2]. Этот диапазон представляет интерес и с позиции развития радиоэлектронных устройств широкого назначения, так как отчетливо прослеживается тенденция продвижения аппаратуры в сторону высоких частот, чем обеспечивается быстродействие, многофункциональность, снижение веса и энергопотребления.

Для исследования предпочтительнее использовать неразрушающий метод, который может быть использован не только на стадии поисковых научных работ, но и в качестве контролирующего средства при массовом промышленном производстве радиоматериалов и конструкций на их основе.

В настоящее время активно ведутся работы по разработке физических основ создания эффективных поглотителей на основе пористых материалов, которые обладают малым весом и могут быть использованы как тепло звукоизоляционные и теплоизоляционно-конструкционные изделия, что повышает их потребительскую привлекательность. Пористые радиопоглощающие гранулы пеностекла, обладая относительно низким весом, применяются в авиастроении [3], поскольку за счет их размещения в фюзеляже самолета не только снижается уровень теплопотерь, но обеспечивается защита от радиационного воздействия, неизбежно проявляющегося на больших высотах [4].

Особый интерес представляют мезопористые материалы [5], которые имеют большие площади поверхности, контролируемую пористость, низкую плотность, богатые возможности модификации как органических, так и неорганических частей каркаса и др. Проводимость полимерных мезопористых материалов можно изменять в широких пределах, что позволяет создавать на их основе отражающие экраны и поглощающие покрытия.

Особенностями материалов, активно взаимодействующих с электромагнитным излучением, являются высокие значения тангенса угла магнитных и диэлектрических потерь, что вызывает известные трудности при проведении измерений электромагнитных параметров.

Цель диссертационной работы. Используя метод «свободного пространства», экспериментально исследовать электромагнитный отклик и спектры диэлектрической проницаемости композиционных материалов на основе многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ), наноструктурных гексагональных ферримагнетиков, пеностеклокристаллических материалов (ПСКМ) и металлорганических координационных полимеров в диапазоне 26 – ГГц.

Задачи диссертационной работы. Для достижения указанной цели в работе ставятся следующие задачи:

1. Модернизировать измерительную установку для исследования материалов с большими потерями в диапазоне частот 26 – 37 ГГц неразрушающим методом «свободного пространства».

2. Разработать методику измерения электромагнитного отклика от плоских образцов диэлектрических и магнитодиэлектрических материалов в диапазоне частот 26 – 37 ГГц.

3. Освоить методику расчета спектров комплексной диэлектрической проницаемости исследуемых материалов по измеренным электродинамическим параметрам измерительной ячейки.

4. Обосновать выбор наиболее перспективных объектов исследования, которые могут быть использованы для устройства помещений с низким уровнем электромагнитного излучения и низкой отражательной способностью стен и потолка.

5. Провести экспериментальные исследования электромагнитного отклика от плоских образцов композитов на основе: 1) пеностеклокристаллического материала;

2) мезопористых материалов;

3) углеродных нанотрубок;

4) МУНТ и оксидных ферримагнетиков, в зависимости от толщины образцов, типа и концентрации активной фазы. Оценить достоверность полученных экспериментальных данных.

6. Провести расчет спектров комплексной диэлектрической проницаемости композитов на основе углеродных нанотрубок по измеренным электродинамическим параметрам измерительной ячейки.

7. Сформулировать рекомендации по практическому применению исследуемых композиционных материалов.

Методы исследования. В соответствии с поставленными задачами в диссертационной работе используется комплексный подход, сочетающий в себе численные расчеты и экспериментальные методы.

Экспериментальное исследование электромагнитного отклика и электрофизических характеристик материалов проводилось неразрушающим методом «свободного пространства» с применением рупорных преобразователей.

Для исследования возможностей измерительной установки и вычисления погрешности измерений использовался метод решения прямой электродинамической задачи в приближении плосковолнового слоя при нормальном падении электромагнитной волны и сравнение расчетов с результатами, полученными в ходе эксперимента. При обработке экспериментально полученных спектров коэффициентов прохождения и отражения применялся метод Савицкого-Голея.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Усреднение результатов измерения электромагнитного отклика методом «свободного пространства» во всей полосе частот 26-37 ГГц повышает точность измерений коэффициентов прохождения и отражения листовых диэлектриков на 20 процентов при сокращении объема измерений в 3-5 раз по сравнению с многократными измерениями в отдельных точках диапазона.

2. Модернизация спектрометра применением линзового волновода, включающего приемный и передающий рупорные преобразователи и четыре линзы из тефлона марки Ф-4, повышает чувствительность измерений материалов с большими потерями.

3. В диапазоне частот 26 - 37 ГГц коэффициент поглощения пеностеклокристаллического материала на основе природного кремнезема, доломита и соды в 1,9 - 1,94 раза выше, чем коэффициент поглощения пеностекольного материала (ПСМ) на основе лампового стекла марки СЛ-97.

4. Диэлектрическая проницаемость композиционного материала на основе МУНТ в матрице из полиметилметакрилата, при содержании МУНТ вес.%, в диапазоне частот 26 – 37 ГГц, значительно выше, чем в полистирольной и полиэтиленовой матрицах.

Достоверность защищаемых положений и других результатов работы.

Достоверность первого научного положения подтверждается проведенной теоретической оценкой применимости плосковолнового приближения при использовании линзового волновода, измерением характеристик ранее исследованных материалов и сравнением полученных результатов с экспериментальными данными, опубликованными в научных изданиях.

Достоверность второго научного положения достигается экспериментальным исследованием коэффициентов прохождения и отражения образцов, аттестованных как стандартные образцы предприятия Сибирским научно-исследовательским институтом метрологии (СНИИМ), и аппроксимацией полученных данных полиномом второй степени по методу Савицкого-Голея.

Достоверность третьего и четвертого научных положений подтверждается экспериментально полученными частотными зависимостями электромагнитных характеристик ПСКМ на основе природного кремнезема, доломита и соды, ПСМ на основе лампового стекла марки СЛ-97, композиционных радиоматериалов на основе многостенных углеродных нанотрубок в полистирольной, полиэтиленовой матрицах и в матрице из полиметилметакрилата.

Достоверность экспериментальных данных подтверждается использованием своевременно поверенного оборудования и аттестованными методиками центра коллективного пользования Томского государственного университета «Центр радиофизических методов измерения, диагностики и исследований параметров природных и искусственных материалов», аккредитованного на техническую компетентность.

Научная новизна.

1. Модельным расчетом и экспериментальными измерениями доказана возможность применения плосковолнового приближения в линзовом волноводе, содержащем четыре линзы.

2. Впервые исследованы электрофизические характеристики разработанного пеностеклокристаллического материала на основе природного кремнезема, доломита и соды, в результате чего выдан патент на изобретение № 2494507 от 27.09.2013 г.

3. Впервые получены экспериментальные данные по электрофизическим характеристикам композиционных материалов на основе многостенных углеродных нанотрубок в матрице из полиметилметакрилата, полистирольной и полиэтиленовой матрицах в диапазоне частот 26 - 37 ГГц.

4. Модернизирована установка для проведения измерений методом «свободного пространства» с применением рупорных преобразователей в полосе частот 26 - 37 ГГц, на основании чего получено положительное решение на выдачу патента на полезную модель по заявке № 2013140548/28(061723), поданной 02.09.2013.

5. Впервые получены экспериментальные данные по частотной зависимости составляющих электромагнитного отклика для композитов на основе металлорганических координационных полимеров.

6. Впервые исследована зависимость электромагнитных свойств композита на основе многостенных углеродных нанотрубок от вида связующего.

Научная ценность защищаемых положений и других результатов работы заключается в следующем:

Первое научное положение способствует повышению метрологического качества измерений спектров составляющих электромагнитного отклика и электродинамических характеристик материалов. При этом достигается экономия времени, затрачиваемого на измерения.

Второе научное положение доказывает возможность измерения электромагнитных характеристик материалов, активно взаимодействующих с электромагнитным излучением, используя плосковолновое приближение, применением линзового волновода, расширяя динамический диапазон метода «свободного пространства».

Содержание третьего и четвертого научных положений дает представление об электрофизических характеристиках ПСКМ, композиционных радиоматериалов на основе многостенных углеродных нанотрубок в различных матрицах. Эти данные позволяют предсказывать поведение коэффициентов прохождения и отражения в рассматриваемой полосе частот.

Практическая значимость результатов работы.

Полученные результаты измерений позволяют использовать исследованные материалы в качестве экранирующих устройств, отражающих и поглощающих электромагнитную энергию в выбранном диапазоне частот электромагнитного излучения. Построенные на основе исследованных материалов экраны могут применяться для обеспечения экологической безопасности, решения задач электромагнитной совместимости, для защиты информации и снижения радиозаметности военных объектов. Сформулированные в диссертации рекомендации по применению исследованных материалов расширяют возможности создания «уголков электромагнитной безопасности», безэховых камер, защитных наполнителей в авиационной промышленности на новой основе.

В результате проведенных исследований электромагнитных параметров создан новый пеностеклокристаллический материал на основе природного кремнезема, доломита и соды, что подтверждается выданным патентом на изобретение (Приложение А).

Модернизирован метод «свободного пространства» для измерений электромагнитного отклика и спектров диэлектрической проницаемости с применением рупорных преобразователей, позволяющий измерять параметры плоскопараллельных диэлектриков, в том числе с большими диэлектрическими потерями.

Результатом модернизации измерительной установки является положительное решение о выдаче патента на полезную модель (Приложение Б).

Внедрение результатов диссертационной работы.

Результаты были использованы при выполнении следующих проектов:

1) «Разработка физических основ создания методов и средств терагерцовой диагностики фундаментальных характеристик материалов искусственного и природного происхождения» (в рамках проекта № 2.1.1/13220);

2) «Многофункциональная аппаратура гигагерцового и терагерцового диапазонов на принципах квазистатических и квазиоптических подходов» (Гос. контракт № П24766 от 19.11.2009 г.);

3) «Взаимодействие электромагнитного излучения УВЧ, СВЧ, КВЧ и ГВЧ диапазонов с природными и искусственными материалами» (№ госрегистрации 01201274001);

4) «Разработка методов и элементной базы для исследований быстропротекающих процессов и малоинерционной диагностики в гигагерцовом и терагерцовом диапазонах частот электромагнитных колебаний»

(Госзадание, регистрационный № 2.4885.2011);

5) «Физика окружающей среды»

(Соглашение 14.В37.21.0179 от 20.07.2012;

2012-1.4-12-000-2012-005).

Результаты работы внедрены в образовательный процесс РФФ ТГУ (Приложение В).

Апробация работы. Основные защищаемые положения и результаты диссертационной работы были представлены на: III и IV Международных научно практических конференциях «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2010, 2012 г.г.);

II Научно-практической конференции «Информационно-измерительная техника и технология» (Томск, 2011 г.);

21-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии (КрыМиКо’ – 2011)» (Севастополь, 2011 г.);

Тринадцатой международной научно-технической конференции «Измерения, контроль, информатизация» (Барнаул, 2012 г.);

IV Общероссийской научно-технической конференции «Обмен опытом в области создания сверхширокополосных радиоэлектронных систем (СВЧ 2012)» (Омск, 2012 г.);

IX Всероссийской школы-конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Инноватика-2013» (Томск, 2013 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы представлено в 15 публикациях, включая 9 статей в отечественных журналах, входящих в перечень ВАК, 6 работ в материалах и тезисах российских и международных конференций, 2 работы отмечены в БД Scopus, индекс Хирша – 1, число цитирований – 1, 7 работ в РИНЦ, индекс Хирша – 2, число цитирований – 10.

Личный вклад автора. Для решения поставленной задачи автор модернизировал измерительную установку для проведения исследований материалов с большими потерями на СВЧ.

Автор лично исследовал электромагнитные характеристики композиционных материалов и проводил необходимые расчеты.

Совместно с научным руководителем участвовал в постановке научной задачи, в обсуждении и публикации основных результатов исследований.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературы.

Работа содержит: страниц – 120, рисунков – 64, таблиц – 7, приложений – 3. Список литературы – наименования.

1 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ РАДИОМАТЕРИАЛОВ, АКТИВНО ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ С ИЗЛУЧЕНИЕМ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР Анализ современного состояния вопроса по теме диссертации проведен на основании изучения публикаций в отечественных и зарубежных периодических изданиях: «Известия высших учебных заведений. Физика»;

«Доклады ТУСУРа»;

«Ползуновский вестник»;

«Russian Physics Journal»;

«Russian Journal of Non Ferrous Metals»;

«Appl. Phys. Let»;

«Ядерная физика и инжиниринг»;

«Наука – производству»;

«Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы»;

«Технологии ЭМС»;

«Силовая Электроника», «Новый оборонный заказ»;

«Мир техники и технологий.»;

«Экономика и производство» «Tribology of Polymeric Nanocomposites»;

«Composites»;

«Российский химический журнал»;

«Журнал структурной химии»;

«Компоненты и Технологии»;

«Проблемы черной металлургии и материаловедения»;

«Строительные материалы»;

«Стекло и керамика»;

«Химия и химическая технология»;

ряда монографий, учебных пособий, патентов и диссертаций.

1.1 Экранирование электромагнитного излучения В настоящее время отмечается широкое распространение устройств, использующих высокочастотную радиоэлектронику и импульсную технику, что вызывает ряд проблем, которые можно решить только снижением уровня электромагнитного излучения (ЭМИ).

Во-первых, нарастание интенсивности фона техногенного происхождения, вызванное скоплением излучающих технических средств в больших и малых городах и, особенно, в мегаполисах, а также устойчивая тенденция к росту количества этих скоплений и их энергетических потенциалов порождает экологические проблемы. Результат исследования электромагнитной обстановки на территории г. Красноярска за период с 1996 г. по 2006 г., например, показывает, что уровни электромагнитного излучения возрастают экспоненциально [6]. Основными источниками электромагнитных излучений радиочастотного диапазона являются передающие радиотехнические объекты радиосвязи, радиовещания, телевидения, радиолокации. Интенсивно развиваются системы сотовой телефонной радиосвязи. Как следствие, широкое распространение получили новые функциональные источники электромагнитного поля радиочастотного диапазона – базовые станции и мобильные радиотелефоны, способные генерировать ЭМИ гигиенически значимые уровни [6]. Близость базовых станций к жилым районам может привести к появлению неблагоприятного воздействия на здоровье человека. Скорость изменения уровней электромагнитного поля в городских условиях очень высока и, возможно, превышает адаптационные возможности человека. Кроме того, использование электронных приборов [7], микроволновых печей [3], персональных компьютеров [8], копировальной техники, навигационных приборов, телевизоров, холодильников с системой «без инея», кухонных вытяжек, электроплит, аэрогрилей [9] и другой бытовой техники, где происходит импульсное переключение, вносит дополнительный вклад в электромагнитный фон непосредственно в местах обитания и производственной деятельности [10]. В [3] показано, что определенному риску вредного воздействия ЭМИ подвергаются пассажиры авиалайнеров, когда за счет подъема на большие высоты защитный слой атмосферы теряет эффективность. В связи с этим необходимо предпринимать защитные меры для населения, особенно, в отношении детей [11,12]. Широко применяемым средством для достижения этой цели является экранирование источников излучения или устройство экранов, снижающих уровень вредного воздействия в месте расположения человека.

Другой проблемой является обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС). Электромагнитная обстановка представляет собой совокупность электромагнитных полей в заданной области пространства, которая может влиять на функционирование конкретного радиоэлектронного устройства или биологического объекта [13 – 15]. В решении проблемы ЭМС активное участие принимают ученые и преподаватели Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР), которыми сформулированы основные задачи и направления для решения проблем ЭМС [16 – 18].

Подчеркнуто, что увеличение количества радиоэлектронной аппаратуры, одновременно работающей в ограниченном пространстве, приводит к уплотнению источников излучения [16] и, соответственно, к росту интенсивности электромагнитного фона. Повышением частоты спектра сигналов радиоэлектронных устройств достигается увеличение производительности и повышение потребительской привлекательности, но, вместе с тем, нарастают проблемы взаимного влияния отдельных блоков. При высоких частотах с ростом электрической длины и плотности монтажа межконтактных электрических соединений или межсоединений обостряется влияние внутриблочных паразитных связей, за счет которых сигналы задерживаются по времени, отражаются от неоднородностей, затухают из-за потерь и изменяют свою форму. Проблему ЭМС между приборами обострило широкое применение импульсных источников вторичного электропитания, которые работают на высоких частотах преобразования [19].

Достижение такого состояния, когда радиоэлектронная аппаратура в целом и ее отдельные блоки будут способны соответствовать своему функциональному назначению при воздействии внешних и взаимных помех, и есть основная задача обеспечения электромагнитной совместимости.

Не менее важной проблемой настоящего времени является разработка средств защиты объекта от утечки информации по техническим каналам. Основу любой деятельности людей составляет ее информационное обеспечение.

Информация становится одним из основных средств решения проблем и задач государства, политических партий и деятелей, различных коммерческих структур и отдельных людей. Так как получение информации путем проведения собственных исследований становится все более дорогостоящим делом, то расширяется сфера добывания информации более дешевым, но незаконным путем [20].

Основным путем утечки информации является электромагнитный канал, обусловленный побочными информативными электромагнитными излучениями основных технических средств обработки информации [13]. Побочные электромагнитные излучения могут возникать как наводки на внешних цепях питания, передаваться в окружающее пространство посредством функциональных отверстий в экранах и других устройств, для передачи информации не предназначенными. Наводки возникают при излучении информационных сигналов элементами аппаратуры и их соединительными линиями при частотах, когда элементы характеризуются распределенными параметрами, когда резистор, например, приобретает свойства индуктивности и емкости. Наводки возникают при наличии гальванической связи соединительных и посторонних проводников.

Уровень наводимых сигналов в значительной степени зависит от мощности излучаемых сигналов, расстояния до проводников, а также длины соединительных и посторонних проводников. Наводки на вторичные источники питания содержат не только составляющие в виде переменного напряжения с частотой промышленной сети, но и высокочастотные наводки, появляющиеся вследствие антенного эффекта проводов питающей сети, наводки, возникающие внутри блока вследствие появления паразитных связей через общие провода питания различных элементов. Утечка информативного сигнала по цепям электропитания и слаботочных линий может происходить различными путями [13, 16]. Например, между двумя электрическими цепями, находящимися на некотором расстоянии друг от друга, могут возникнуть электромагнитные связи, создающие объективные предпосылки для появления информативного сигнала в цепях системы электропитания объектов вычислительной техники. Источниками наводки являются устройства, в которых обрабатывается информативный сигнал;

приемниками – цепи электропитания, выступающие в качестве токопроводящей среды, выходящей за пределы контролируемой территории и одновременно с этим представляющие собой опасный канал утечки информации. Утечка информации при функционировании средств вычислительной техники также возможна либо через непосредственное излучение и наведение информативных импульсов, циркулирующих между функционально законченными узлами и блоками, либо посредством высокочастотных электромагнитных сигналов, модулированных информативными импульсами и обладающих способностью самонаводиться на провода и общие шины электропитания через паразитные связи [13, 20].

Эффективность защиты информации зависит от правильного выбора средств на основе анализа возможных источников утечки информации. Среди мер защиты информации все больший вес объективно приобретает инженерно техническая защита информации, основанная на использовании различных технических средств.

Для создания благоприятной электромагнитной обстановки с экологической точки зрения, для решения задач ЭМС и противодействия несанкционированному доступу к информации производится экранирование электромагнитных волн.

Экранирование – локализация электромагнитной энергии путем преграждения ее распространения, либо предотвращение попадания нежелательных сигналов в пределы определенного пространства. Экранирование электромагнитных волн является одним из самых действенных средств. В качестве защитных экранов в радиоэлектронной аппаратуре используются различные материалы и конструкции из них. Наиболее часто применяются металлические корпуса, закладки, оплетки и др. [13].

Экранируют не только отдельные блоки аппаратуры и их соединительные линии, но и помещения в целом. В обычных (неэкранированных) помещениях основной экранирующий эффект обеспечивают стены, окна и двери. Возможности такой защиты рассмотрены в [21]. Расположением аппаратуры и рабочих мест на основе расчета распределения суммарного электромагнитного излучения в помещении удается решить перечисленные выше задачи, используя защитные свойства стандартных элементов конструкций. Однако во многих случаях такой способ малоэффективен и возникает необходимость дополнительного экранирования, когда применяются: токопроводящие покрытия или обои;

металлизированная ткань, металлизированные стекла, устанавливаемые в металлические или металлизированные рамы.

Эффективность экранирования оценивается степенью ослабления составляющих электромагнитного поля, определяемой как отношение действующих значений напряженности полей в данной точке пространства при отсутствии и наличии экрана.

Экранировку электромагнитных волн более 100 дБ, что требуется при устройстве безэховых камер для проведения испытаний и высокоточных измерений параметров радиоэлектронной аппаратуры и антенной техники, испытаний технических средств на электромагнитную совместимость, для проведения медико-биологических экспериментов, можно обеспечить только в специальных экранированных камерах, в которых электромагнитный экран выполнен в виде электрогерметичного стального корпуса, а для ввода электрических коммуникаций используются специальные фильтры [13].

Безэховые камеры обеспечивают получение достоверных результатов измерений в обстановке сильного электромагнитного зашумления естественным и техногенным электромагнитным фоном, а также могут использоваться как дополнительное средство защиты информации. В таких помещениях не должно быть окон, они должны иметь независимую систему электропитания, экранированные двери [13]. Стены помещения отделываются гибкими экранами, например ткаными коврами из аморфных материалов или электропроводящими тканями [22]. С внутренней стороны помещение облицовывается конструкционным радиопоглощающим материалом для предотвращения образования стоячих электромагнитных волн с частотами более 1 ГГц и для создания более комфортной экологической обстановки.

Важнейшее значение имеет технологичность устройства поглощающих покрытий внутренних помещений. Сложные конструкции типа «бамбук» [22], пирамидальные конструкции или блоки с «елочками» из микропровода требуют больших временных затрат на установку, на проведение ремонта, а также высококвалифицированных монтажников, специализирующихся в данном производстве. Перечисленные материалы не обладают качествами, предъявляемыми к строительным материалам: негорючестью и влагостойкостью;

пожаробезопасностью;

стабильностью и экологической безопасностью при эксплуатации.

1.2 Современные материалы, используемые для экранирования В настоящее время в качестве экранирующих устройств находят применения различные радиопоглощающие материалы, которые подразделяются по электромагнитным параметрам, по весогабаритным характеристикам, по геометрии исполнения.

Магнитные материалы наиболее эффективны при расположении на металлической поверхности, где образуется пучность магнитного поля при образовании стоячей волны как суперпозиция падающей и отраженной волн.

Широко распространены ферритовые радиопоглощающие материалы [23, 24], так как обеспечивают самое простое, удобное и рентабельное решение проблемы радиочастотных помех в кабелях и соединителях. Более того, они обеспечивают подавление нежелательных высокочастотных колебаний, не ослабляя сигналы постоянного тока или низкой частоты. Основной состав ферритовых материалов – это комбинация оксидов железа и других металлов. Удачное сочетание ряда важнейших физических характеристик обеспечило поликристаллическим оксидным ферримагнетикам широкое применение. Большая глубина скин-слоя в совокупности с большой магнитной проницаемостью обеспечивает глубокое проникновение электромагнитной волны и эффективное взаимодействие излучения с веществом, делая эти материалы незаменимыми в устройствах высокочастотной радиоэлектроники. Применение нанотехнологии и современных методов синтеза позволило расширить функциональные возможности ферритовых материалов [24, 25]. В настоящее время разработаны материалы, перекрывающие широкий диапазон частот [24–30], практически до 70 ГГц. К сожалению, ферритовые материалы имеют большой вес, поскольку в своей основе они состоят из металлов.

Ферромагнитный микропровод используется для изготовления радиотражающих тканей, сеток и других изделий [31–34]. Однако, тканные или пленочные материалы, изготовленные с использованием металлической сетки для защиты биологических объектов или экранирования поверхности, отличаются большой долей отраженного излучения и высокой ценой.

Радиопоглощающий композит, состоящий из мелкодисперсных (0,5 – мкм) сферических частиц железа или покрытых магнитным материалом стеклянных шариков ( 80 вес. %) и диэлектрической связки – силиконовой композиции ( 20 вес. %) [35] имеет значительный вес и повышенную хрупкость и отличается сложной и длительной технологией его изготовления. Подобному составу, состоящему из карбонильного железа (50 – 90 %), компонента на основе платины и полимера на основе силоксана [35], присущи те же недостатки и дополнительно высокая стоимость. Кроме того, при его изготовлении используют вредные вещества (толуол, гептан и др.).

При устройстве защитных экранов в свободном пространстве широкое применение находят углеродсодержащие материалы. В прошлом веке в этом качестве использовалась сажа, в настоящее время с развитием нанотехнологии все большее распространение находят материалы на основе углеродных наноструктур: одностенные и многостенные нанотрубки, фуллерены, луковичные структуры [36–41]. Материалы, состоящие из дисперсного поглощающего наполнителя, включающего порошки графита, сажи, сегнетоэлектриков, металлических сплавов, связанных жидким полимером, представляют собой сложные составы. Технология изготовления предполагает равномерное смешение очень разнородных по плотности компонентов. Концентрационные зависимости электромагнитных характеристик композитов на основе углеродных наноструктур имеют перколяционный порог, то есть вариацией количества активной фазы можно конструировать как отражающие экраны, так и поглощающие покрытия.

Отмечается большое разнообразие разработанных материалов, однако высокочастотные электромагнитные характеристики их изучены недостаточно полно.

В настоящее время активно ведутся научные работы по разработке физических основ создания эффективных пеностекольных материалов [42], обладающих комплексом свойств, требуемых устройствам, активно взаимодействующим с электромагнитным излучением. Пеностекольный материал обладает способностью снижать уровень отраженного и прошедшего электромагнитного излучения [43] в сочетании с комплексом высоких теплотехнических характеристик, негорючестью, влагостойкостью и долговечностью [44]. Материалы данной группы можно использовать как тепло звукоизоляционные, теплоизоляционно-конструкционные. Пеностеклянные радиопоглощающие гранулы, обладая относительно низким весом, перспективны для применения в авиастроении [43], поскольку за счет их размещения в фюзеляже самолета снижаются уровни теплопотерь, электромагнитного и радиационного воздействия, неизбежно проявляющихся на больших высотах и в строительстве. Актуальность разработки таких полифункциональных материалов обусловлена их пожаробезопасностью и экологичностью, технологичностью и удобством в изготовлении элементов различной геометрической формы.

В Томском политехническом университете разработана двухстадийная технология получения пеностеклокристаллических материалов, аналогичных по свойствам пеностеклу [45–48]. Технология позволяет использовать распространённые виды кремнезёмистого сырья и техногенных отходов и предусматривает синтез промежуточного продукта (фритты) при относительно о низких температурах, не превышающих 950 С, что значительно ниже по сравнению с традиционными температурами получения стекла 1150 оС. Несмотря на то, что в научных публикациях говорится о возможности применения пеностекольных материалов в качестве защитных экранов и рассматриваются теоретические основы взаимодействия электромагнитного излучения с пеностеклом [49], электрофизические характеристики и электромагнитный отклик от конструкций из этих материалов изучены слабо.

Относительно недавно стали применяться шунгитобетоны [50], которые совмещают радиопоглощающие и радиационно-защитные свойства с технологическими качествами, присущими для строительных материалов.

Коэффициент экранирования такого помещения может превышать 60 дБ в широком диапазоне частот [13].

Всё большее внимание исследователей из разных стран привлекают пористые металлоорганические координационные полимеры [51, 52] в связи с их многообещающими применениями. Комбинируя ионы металлов или кластеры и разнообразные органические лиганды, можно получить огромное количество координационных полимеров с самыми разнообразными свойствами: большие площади поверхности, контролируемая пористость, низкая плотность, богатые возможности модификации как органических, так и неорганических частей каркаса и др. В последнее время пористые координационные полимеры привлекают большое внимание в связи с перспективами их широкого использования для разделения, сорбции и хранения газов, в качестве катализаторов, для создания лекарств пролонгированного действия и др.

применений. Значительный прогресс достигнут в получении микропористых (с размерами пор менее 2 нм) координационных полимеров. Переход к мезопористым каркасам (размер пор более 2 нм) позволяет значительно расширить круг использования таких пористых сорбентов. Прежде всего, представляет особый интерес изучить электромагнитные характеристики мезопористых полимеров для использования в качестве радиоматериалов высокочастотного диапазона. В качестве радиопоглощающих материалов мезопористые полимеры до сих пор не рассматривались, хотя их электрические свойства позволяют предположить такую возможность.

1.3 Современные методы экспериментального исследования спектров диэлектрической и магнитной проницаемости В настоящее время для измерения электромагнитных характеристик материалов в зависимости от частотного диапазона и количества исследуемого материала используются различные методы [53– 71].

Конденсаторные методы применяются для измерения диэлектрической проницаемости жидких и плоских твердых диэлектриков в низкочастотной части диапазона ЭМИ. Применяемый в работе [53] современный прибор Precision LCR Meter Agilent E4980A, использующий мостовую схему измерения, обеспечивает достаточную точность и позволяет измерять комплексную диэлектрическую и магнитную проницаемость на тороидальных образцах. Рабочий диапазон установки – 20 Гц – 2 МГц. Измерения в них проводятся по методу замещения, когда балансировка схемы производится сначала без образца, а потом с образцом.

Схематическое изображение измерительной ячейки для измерения комплексной диэлектрической проницаемости плоских твердых образцов изображено на рисунке 1.1.

1 – прижимной винт;

2 – верхняя крышка ячейки;

3 – корпус ячейки;

4 – верхняя (съемная) пластина конденсатора;

5 – исследуемый образец;

6 – изолятор;

7 – нижняя (закрепленная) пластина конденсатора;

8– нижняя крышка ячейки.

Рисунок 1.1 – Конструкция измерительной ячейки [53] Волноводные методы [54] используются для измерения диэлектрической проницаемости жидких кристаллов [55], сегнетоэлектриков [56], композитов на основе гексаферритов и углеродных наноструктур [57, 58], ферромагнитных жидкостей (ФМЖ) (рисунок 1.2) [59].

Эти установки обладают широкополосностью и позволяют исследовать материалы с большими потерями. В настоящее время используются схемы с измерительной линией [60] и современные скалярные и векторные анализаторы цепей отечественного [57] и зарубежного производства [58].

1 – генератор сигналов Г3-30, 2 – волновод, 3 – зонд, 4 – СВЧ диод зонда, 5 – полюса постоянного магнита, 6 – термостат, 7 – милливольтметр, 8 – терморегулятор, 9 – слюдяная пластинка, 10 – подвижный поршень, 11 – регулятор положения поршня в волноводе, 12 – исследуемое вещество.

Рисунок 1.2 – Блок-схема волноводной установки [59] Волноводные методы измерения электрофизических параметров и концентрации ФМЖ, использующие свойства магнитоанизотропии (гиромагнитные свойства в присутствии постоянного поля подмагничивания Ho), имеют свои особенности, обусловленные тем, что: а) в отличие от резонаторных более чувствительны, когда измеряются параметры ФМЖ с большой величиной удельной проводимости, например ферритографитовые жидкие смеси;

б) без постоянного поля подмагничивания обладают большей точностью измерений по сравнению с резонаторными в случае, когда диэлектрическая проницаемость частиц сильно отличается от диэлектрической проницаемости жидкости носителя;

в) в присутствии поля подмагничивания Но при измерении параметров ФМЖ инвариантны к вариации удельной проводимости [59].

Волноводные методы измерения ограничиваются областью частот, где возникают трудности с изготовлением образцов и растут погрешности определения коэффициента стоячей волны по напряжению и сдвига минимума.

Обеспечение широкополосности достигается набором измерительных ячеек различных стандартов (рисунок 1.3). Использование измерительных линий затрудняет автоматизацию измерений и существенно снижает точность измерений, по сравнению с тем, что позволяют получить анализаторы цепей.

Рпад – падающая мощность с генератора Р2-61;

Ротр– отражённая мощность от границ диэлектрика;

1 – волновод;

2 – исследуемый образец;

3 – основной поглощающий клин;

4 – дополнительные поглощающие клинья Рисунок 1.3 – Схема измерительной ячейки [59] В целом верхняя граница применения волноводных методов простирается вплоть до 60 ГГц, однако на частотах порядка 25–30 ГГц возникают трудности, связанные с малыми размерами волноводов. Если для исследования жидких диэлектриков в этом диапазоне метод работает успешно, то для твердых материалов возникают известные проблемы с изготовлением образцов для измерения, их подгонки к размерам измерительной ячейки для обеспечения электрического контакта образца и волновода.

Известные достоинства резонаторных методов измерений обеспечивают их популярность при выборе средств измерений электромагнитных характеристик [61 – 70]. В зависимости от вида агрегатного состояния вещества, от формы образца, от величин комплексных магнитной и диэлектрической проницаемостей выбирается форма и конструкция резонатора. Длинные стержни исследуют в прямоугольном объемном резонаторе [61, 62], диски в круглом [63 – 65], пластины в нерегулярном микрополосковом резонаторе [66 – 68] и в полосковом [70], пластины большого размера в открытых резонаторах [63, 70, 71].

Для исследования локальных и интегральных электромагнитных характеристик наиболее удобно использовать квазиоптические методы [71], которые объединяют методы с рупорными преобразователями [72–74]. Рупорные методы относительно просты, поэтому нашли наибольшее распространение. При измерениях используют методы «на прохождение» (рисунок 1.4), когда рупорные преобразователи находятся по обе стороны от образца, или «на отражение», когда приемная и передающая антенны находятся по одну сторону от исследуемого образца. В некоторых случаях используется один рупорный преобразователь, который служит приемо-передающим устройством. Как правило, рупорные преобразователи находятся на некотором расстоянии от исследуемых образцов.

Однако при исследованиях образцов малых размеров его располагают непосредственно на раскрыве рупора (рисунок 1.5).

1 – блок питания;

2 – генератор;

3 – волноводный тракт;

4 – аттенюатор;

5, 6 – излучающая и приемная антенны;

7 – детектор;

8 – усилитель;

9. 10 – регистрирующие устройства Рисунок 1.4 – Схема дефектоскопа «на прохождение» [73] Рисунок 1.5 – Рупорный метод для измерения в частотных диапазонах 3–80 ГГц [67] Широкое применение в антенной технике в СВЧ диапазоне получили линзовые антенны [75, 76]. Состоят они из электромагнитной линзы и облучателя, фазовый центр которого совмещен с фокусом линзы. Электромагнитная линза – это радиопрозрачное тело, ограниченное двумя поверхностями: освещенной криволинейного профиля и плоской поверхностью апертуры. К линзам предъявляются следующие основные требования: они должны иметь малые тепловые потери и быть хорошо согласованными с окружающим пространством.

Облучатель предназначен для создания нужного амплитудного распределения на раскрыве линзы. Он должен иметь точечный фазовый центр и обеспечивать требуемую поляризацию поля излучения. В качестве облучателей используются слабонаправленные антенны, такие как рупорные, открытые концы волноводов, вибраторы с рефлекторами и т. д.

В отличие от оптического диапазона линзы в радиодиапазоне могут быть как замедляющими, так и ускоряющими. На практике чаще всего используются диэлектрическая (замедляющая) и металлопластинчатая (ускоряющая) линзы.


Размеры раскрыва линзовых антенн обычно велики по сравнению с длиной волны, поэтому они относятся к остронаправленным антеннам и предназначены для формирования узких диаграмм направленности.

Принцип действия линзовых антенн заимствован из оптики и заключается в преобразовании расходящегося пучка лучей от слабонаправленного источника в параллельный пучок лучей или в преобразовании сферического фронта волны облучателя в плоский волновой фронт на выходе линзы. Благодаря этому удается получить плоский синфазный раскрыв требуемого размера и сформировать узкую диаграмму направленности (ДН).

1.4 Постановка задачи перед диссертационной работой Проведенный анализ литературных источников показал, что разработка экранирующих устройств для снижения уровня электромагнитного излучения с целью создания благоприятной экологической обстановки, для решения задач электромагнитной совместимости и защиты информации является актуальной задачей. В настоящее время особо востребованы радиопоглощающие и радиоотражающие материалы, которые могут быть использованы в построении специальных помещений, поскольку потребность в безэховых камерах, комнат с пониженным фоном электромагнитного излучения, специальных помещений, создаваемых с целью защиты информации неуклонно возрастает. Применяемые ранее материалы недостаточно эффективны, конструкции защитных экранов сложны для установки в помещениях, ломки и неудобны при эксплуатации.

Разработанные для узкоспецифических целей, эти конструкции совершенно непригодны для устройства в жилых и производственных помещениях широкого использования.

В настоящее время наиболее перспективны композиционные радиоматериалы на основе углеродсодержащих наноструктур, оксидных ферримагнетиков, включая наноструктурные, пеностекольного материала и мезопористых структур. Эти материалы пожаробезопасны, нетоксичны, технологичны как на стадии синтеза и изготовления конструкций, так и устройства помещений. Эффективность экранирования позволяет производить тонкие покрытия (композиты на основе оксидных ферримагнетиков и углеродных наноструктур), либо легкие и прочные изделия, не требующие изменения технологий, принятых в строительстве. Однако электрофизические характеристики таких материалов изучены недостаточно в связи с их недавним появлением и известными проблемами измерения материалов с большими потерями на СВЧ.

Литературный обзор показал, что в субмиллиметровом диапазоне наиболее востребованы квазиоптические методы, использующие рупорные преобразователи, открытые резонаторы и линзовые антенны.

Поэтому актуальной задачей является исследование электромагнитных характеристик композиционных материалов в гигагерцовом диапазоне волн, используя метод «свободного пространства».

Предметом данной работы являются образцы композитов на основе пеностеклокристаллического материала, мезопористых материалов, углеродных нанотрубок и их смесей.

2 МЕТОД «СВОБОДНОГО ПРОСТРАНСТВА» ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ С БОЛЬШИМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПОТЕРЯМИ В главе дается обоснование выбора метода измерений электромагнитного отклика и электромагнитных параметров материалов с большими потерями.

Описывается метод определения оптимального расстояния между приемной и передающей антеннами измерительной установки. Предложен способ повышения точности измерений усреднением результатов по измеренным точкам во всем частотном интервале статистической обработкой экспериментальных данных методом Савицкого-Голея и аппроксимацией полиномом второй степени.

Построена математическая модель и разработана компьютерная программа для моделирования процедуры выбора геометрических параметров измерительного тракта по фазовым и амплитудным характеристикам электромагнитного излучения на апертурах фокусирующих элементов. Материалы данной главы доложены на двух конференциях и опубликованы в 5 статьях и материалах конференций, выполненных в соавторстве. Автор лично определял оптимальное расстояние между приемной и передающей антеннами измерительной установки, предложил способ повышения точности измерений, участвовал в построении математической модели выбора геометрических параметров измерительного тракта, в обсуждении результатов и подготовке публикаций.

2.1 Обоснование выбора метода измерений Перед данной научной работой поставлена цель - исследовать электромагнитные параметры плоских образцов материалов, активно взаимодействующих с электромагнитным излучением, в диапазоне частот 26 – ГГц. Такая форма образцов выбрана из простоты технологии приготовления и из за предполагаемого назначения в виде экранов. Плоские образцы можно исследовать резонансными и волноводными методами [76–79], но в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн при исследовании электромагнитного отклика и измерении магнитной и диэлектрической проницаемости образцов в виде дисков, пластин, ленты или полотна неоспоримыми достоинствами обладает метод «свободного пространства».

Наличие открытой области между приемо-передающими антенными системами или зеркалами открытых резонаторов позволяет осуществлять неразрушающий контроль качества (однородность, толщина, влажность и др.) произведенной продукции непосредственно во время технологического процесса [80, 81]. Этот метод применяется для измерения магнитной и диэлектрической проницаемостей больших по размеру образцов, а также для исследования зависимостей этих характеристик от температуры, магнитных и электрических полей и других воздействий, поскольку дает возможность относительно простого способа размещения нагревательных приборов или источников полей на необходимом расстоянии от образца без экранирующих устройств.

Метод «свободного пространства» основан на связи измеряемых комплексных коэффициентов отражения (R) и прохождения (T) с электромагнитными и геометрическими параметрами исследуемого образца.

Величины модулей и фаз коэффициентов зависят от толщины слоя магнитодиэлектрика (d) и значений комплексных диэлектрической = ' – i" и магнитной = ' – i" проницаемостей. Здесь, – действительные,,, – мнимые части проницаемостей, i – мнимая единица. Для плоской электромагнитной волны, падающей на плоский слой магнитодиэлектрика под прямым углом, выражения для коэффициентов отражения и прохождения могут быть записаны в виде [82]:

{1 }e (1 e 2id ) i d T= R= (2.1) ;

1 2 e 2id, 1 2 e 2id где = (Z – 1) / (Z + 1) – коэффициент отражения от передней грани Z= = k0 – магнитодиэлектрика, – волновое сопротивление, постоянная распространения электромагнитной волны в слое магнитодиэлектрика, k0 = /c волновое число свободного пространства, = 2f круговая частота электромагнитного процесса.

Суть метода заключается в сравнении режимов работы электродинамической системы с измеряемым образцом, внесенным в ее объем, с параметрами антенной системы без образца.

Коэффициенты отражения и прохождения характеризуют электромагнитный отклик от образца определенной толщины, но не определяют свойства материала, из которого изготовлен образец. Это не позволяет проводить математическое моделирование электромагнитного отклика при заданных изменениях геометрических размерах образцов и их формы, что мешает оценить предельные значения поглощающих и отражающих характеристик или подобрать оптимальную геометрию конструкции на основе этого материала.

Такую возможность дают материальные характеристики – диэлектрическая и магнитная проницаемости, которые можно использовать при решении прямой электродинамической задачи, определяя электромагнитный отклик по известным значениям * и * и заданным толщинам образцов. Формулы (2.1) позволяют из измеренных параметров электромагнитного отклика рассчитать материальные характеристики. Однако следует учитывать условия, при которых формулы получены – плосковолновое приближение, когда плоская волна падает на плоскую поверхность нормально. Здесь не принимается во внимание шероховатость поверхности, непараллельность поверхности, дефекты структуры, характерные для конкретного образца.

2.2 Рупорные антенны Поскольку поставлена задача проводить измерения в полосе частот, то применение резонансных антенн: вибраторных, щелевых, полосковых, микрополосковых, входное сопротивление которых сильно зависит от частоты [75], не целесообразно. Предпочтительнее использовать апертурные антенны:

рупорные, зеркальные, линзовые и другие типы антенн [75, 83]. Элементарным излучателем в них является элемент Гюйгенса.

Достоинством рупорных антенн является простота конструкции и хорошие диапазонные свойства. Практически рабочая полоса частот рупорной антенны ограничивается полосой питающего ее волновода и составляет около 100%.

Пирамидальный рупор – антенна в форме четырехгранной пирамиды, с прямоугольным сечением. Такие антенны являются наиболее широко используемым типом рупорных антенн. Излучает линейно-поляризованные волны.

Схематичное изображение пирамидальной рупорной антенны показано на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Пирамидальная рупорная антенна Коэффициент направленного действия антенны определяется площадью ее раскрыва и может быть рассчитан по формуле:

S D = 4, (2.2) где S=LELH – площадь раскрыва рупора;

=0,49 – коэффициент использования поверхности для пирамидального рупора.

При равенстве LE и LH диаграмма направленности антенны в плоскости Н получается в 1,5 раза шире, поэтому часто, для получения одинаковой ширины лепестка в обеих плоскостях, выбирают LH=1,5LE.

Ширина диаграммы направленности пирамидального рупора по половинной мощности определяется:

- в плоскости Н 2 0,7 H = 80°, (2.3) LH - в плоскости Е 2 0, 7 E = 53°, (2.4) LE Поскольку при полностью действующем волновом фронте интенсивность в точке наблюдения обеспечивается частью волновой поверхности, площадь которой меньше размеров первой зоны Френеля, рассчитаем оптимальное расстояние для размещения первой линзы от волновода, применительно к нашей установке.


Радиус зоны Френеля можно найти через соотношение:

ab ri = i (2.5), a+b где i=1,2,3… - номер зоны Френеля.

Диаметр используемой линзы d=50 мм должен быть равен диаметру первой зоны Френеля. Применив формулу (2.5) и взяв a = b, находим оптимальное расстояние для диапазона частот 26–37 ГГц, которое равно 10,9 15,4 см. Исходя из полученных данных, для того чтобы на первую линзу падала волновая поверхность, находящаяся только в первой зоне Френеля во всем диапазоне частот, необходимо, чтобы линза располагалась не дальше 10,9 см от волновода.

Определим основные параметры рупорных антенн, используемых в нашей измерительной установке.

Ширина стороны раскрыва в плоскости Н: LH=1,7 см.

Ширина стороны раскрыва в плоскости Е: LЕ=0,7 см.

Площадь раскрыва рупора: S=LELH=1,19 см2.

По формуле (2.2) определяем коэффициент направленного действия антенны на частоте 30 ГГц: D=7,33.

По формулам (2.3) и (2.4) определим ширину диаграммы направленности антенны на частоте 30 ГГц:

- в плоскости Н: 20,7Н=47°;

- в плоскости Е: 20,7Е=75,7°.

2.3 Элементы измерительного тракта Предварительные исследования показали, что при измерении коэффициентов отражения, а, особенно, коэффициентов прохождения материалов с большими потерями, удовлетворительная чувствительность серийной аппаратуры (панорамных измерителей КСВн, скалярных и векторных анализаторов цепей) достигается только при сдвиге передающей и принимающей рупорной антенны вплотную с образцом между ними. Такой способ применяется при исследованиях [75, 84].

Однако при этом возникло сомнение о применимости плосковолнового приближения для расчета материальных электродинамических параметров. Для оценки применимости проведено сравнение рассчитанных по формуле (2.1) коэффициентов прохождения для стандартных образцов предприятия (СОП), аттестованных в соответствии с действующим законодательством Сибирским научно-исследовательским институтом метрологии, и измеренными значениями.

Метрологические характеристики СОП, которые представляют собой плоскопараллельные диски диаметром 50 мм с точно измеренными толщинами и величинами ’и tg приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Метрологические характеристики СОП Номер Наименование Частота, Калибруемый параметр образца ГГц Диэлектрическая Тангенс угла проницаемость, диэлектрических потерь, tg 6,4 3,81 0, СОП-1 КВ 10,5 3,81 0, 5,8 3,81 0, СОП-2 КВ 6/ 9,4 3,81 0, СОП-3 К-8 6,0 4,98 0, СОП-4 ЛК-105 6,1 4,74 0, Продолжение таблицы 2.1 – Метрологические характеристики СОП Номер Наименование Частота, Калибруемый параметр образца ГГц Диэлектрическая Тангенс угла проницаемость, диэлектрических потерь, tg 5,6 6,32 0, СОП-5 К-8 (2162) 8,6 6,34 0, 5,1 8,00 0, СОП-6 ТФ- 7,7 8,02 0, 4,8 9,38 0, СОП-7 ТК- 7,3 9,40 0, Величины диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь, приведенные в таблице, говорят о незначительной частотной дисперсии, характерной для плавленого кварца и добротной керамики, из которых изготовлены образцы.

Результаты показывают (рисунки 2.2 – 2.5), что наблюдается существенное расхождение частотных зависимостей, что, вероятно, и связано с несоответствием приближений, при которых получена формула (2.1), с реальными условиями проведения эксперимента.

Расчет Коэффициент прохождения, дБ Эксперимент - - - - - - 26 28 30 32 34 36 Частота, ГГц Рисунок 2.2 – Расчетные и измеренные значения коэффициентов прохождения для СОП- Коэффициент прохождения, дБ Расчет Эксперимент - - - - - - 26 28 30 32 34 36 Частота, ГГц Рисунок 2.3 – Расчетные и измеренные значения коэффициентов прохождения для СОП- Расчет Эксперимент Коэффициен прохождения, дБ - - - - - - 26 28 30 32 34 36 Частота, ГГц Рисунок 2.4 – Расчетные и измеренные значения коэффициентов прохождения для СОП- Расчет Эксперимент Коэффициент прохождения, дБ - - - - - - 26 28 30 32 34 36 Частота, ГГц Рисунок 2.5 – Расчетные и измеренные значения коэффициентов прохождения для СОП- Формирование плоского фронта электромагнитной волны возможно достичь удалением исследуемого объекта от источника излучения. По этой причине нами проведен эксперимент по исследованию зависимости результатов измерения коэффициента прохождения при изменении расстояний между рупорами. Результаты исследования приведены на рисунках 2.6–2.12. Чтобы не загромождать рисунок, показаны результаты только для двух расстояний, хотя измерения производились через 1 см.

Раздвижение рупорных антенн привело к лучшему согласию экспериментальных и полученных из решения прямой электродинамической задачи результатов. Практически неизменяющийся результат достигнут при расстоянии 50 см между рупорами. Однако при этом существенно снизился, что очевидно, уровень принимаемых сигналов. Дальнейшее увеличение расстояния приводит к потере сигнала на уровне шумов.

Коэффициент прохождения, дБ - - - Расчет 25 см измерение - 50 см измерение - 26 28 30 32 34 36 Частота, ГГц Рисунок 2.6 – Экспериментальный выбор наилучшего расстояния между рупорами: СОП- Коэффициент прохождения, дБ - - - Расчет 25 см измерение - 50 см измерение - 26 28 30 32 34 36 Частота, ГГц Рисунок 2.7 – Экспериментальный выбор наилучшего расстояния между рупорами: СОП- Коэффициент прохождения, дБ - - Расчет - 25 см измерение 50 см измерение - - 26 28 30 32 34 36 Частота, ГГц Рисунок 2.8 – Экспериментальный выбор наилучшего расстояния между рупорами: СОП- Коэффициент прохождения, дБ - - - - Расчет - 25 см измерение 50 см измерение - - 26 28 30 32 34 36 Частота, ГГц Рисунок 2.9 – Экспериментальный выбор наилучшего расстояния между рупорами: СОП- Коэффициент прохождения, дБ - - - - - Расчет -6 25 см измерение 50 см измерение - - 26 28 30 32 34 36 Частота, ГГц Рисунок 2.10 – Экспериментальный выбор наилучшего расстояния между рупорами: СОП- Коэффициент прохождения, дБ - - - - Расчет -5 25 см измерение 50 см измерение - - 26 28 30 32 34 36 Частота, ГГц Рисунок 2.11 – Экспериментальный выбор наилучшего расстояния между рупорами: СОП- Коэффициент прохождения, дБ - - - Расчет - 25 см измерение 50 см измерение - - 26 28 30 32 34 36 Частота, ГГц Рисунок 2.12 – Экспериментальный выбор наилучшего расстояния между рупорами: СОП- На рисунке 2.13 видно, что измерения в отдельных частотных точках заметно расходятся с расчетными данными. Отклонения экспериментальных значений от расчетных в отдельных частотных точках достигает 2 дБ. Повысить точность измерения можно набором статистических данных, несколько раз измеряя электромагнитный отклик в каждой частотной точке. Однако в результате многочисленных наблюдений нами замечено, что метод усреднения результатов по измеренным точкам во всем частотном интервале статистической обработкой экспериментальных данных методом Савицкого-Голея и аппроксимацией опытных данных полиномом второй степени дает целый ряд преимуществ. Во-первых, частотное усреднение снижает погрешность до 0,5 дБ и менее для всех образцов [85, 86] при резком снижении времени набора статистики по сравнению с многократными измерениями в отдельных точках. Во-вторых, полностью используются возможности панорамных измерителей для получения более полной информации об электромагнитных свойствах исследуемых материалов.

Чтобы повысить чувствительность, нами разработан линзовый волновод, использующий две линзы. Уровень сигнала в пустом (без образца) тракте повысился на 30 дБ.

Результаты сравнения коэффициентов прохождения для нескольких СОП на квазиоптической установке с двумя линзами приведены на рисунках 2.13 – 2.16.

Расчет Измерение в частотных точках Усреднение в частотном интервале Коэффициент прохождения, дБ - - - 26 28 30 32 34 36 Частота, ГГц Рисунок 2.13 – Расчетные и измеренные коэффициенты прохождения СОП на квазиоптической установке с двумя линзами, СОП- Видно, что результаты эксперимента практически совпадают с результатами, полученными из решения прямой электродинамической задачи.

Добившись формирования фронта волны, близкого к плоскому, мы не решили задачу получения достоверной информации об электромагнитных характеристиках материалов с большими потерями, так как уровень регистрируемого сигнала существенно снизился и чувствительность измерительных средств не позволяет получать надежный уровень сигнала.

Это заключение подтвердилось пробными исследованиями материалов с большими диэлектрическими (полимерные образцы с многостенными углеродными нанотрубками [87]) и магнитными (композиты с наноразмерным порошком гексаферрита в качестве активной фазы [88]) потерями.

Коэффициент прохождения, дБ - - - - Расчет Измерение - 26 28 30 32 34 36 Частота, ГГц Рисунок 2.14 – Расчетные и измеренные коэффициенты прохождения СОП на квазиоптической установке с двумя линзами, СОП- Коэффициент прохождения, дБ - - - - Расчет - Измерение - 26 28 30 32 34 36 Частота, ГГц Рисунок 2.15 – Расчетные и измеренные коэффициенты прохождения линзовым волноводом, СОП- Коэффициент прохождения, дБ - - - - Расчет - Измерение - 26 28 30 32 34 36 Частота, ГГц Рисунок 2.16 – Расчетные и измеренные коэффициенты прохождения на квазиоптической установке с двумя линзами на СОП- Установлено, что принимаемый сигнал практически теряется на фоне шумов. Это связано с тем, что на образец подается недостаточно большая мощность. В частности, это возникает из-за потерь в поглощающей диафрагме, которая необходима для устранения краевых эффектов при недостаточно больших размерах образцов. Для перераспределения долей падающей микроволновой мощности и концентрации ее на образце были добавлены еще две линзы с фокусным расстоянием 60 мм. Введение дополнительных линз могло привезти в искажению фронта волны и к нарушению плосковолнового приближения, которое используется для расчета диэлектрической проницаемости.

В связи с этим была произведена теоретическая оценка и экспериментальная проверка применимости линзового волновода с четырьмя линзами.

2.4 Линзовый волновод Для рассматриваемой в работе экспериментальной установки была построена математическая модель и разработана компьютерная программа для моделирования процедуры выбора геометрических параметров измерительного тракта по фазовым и амплитудным характеристикам электромагнитного излучения на апертурах фокусирующих элементов.

В качестве математической модели для вычисления электромагнитных характеристик измерительного тракта использовалась теория линзовых волноводов [89, 90]. Геометрическая структура для построения модели представлена на рисунке 2.17.

Рисунок 2.17 – Структура измерительной установки для построения модели Будем считать, что ось линз совпадает с осью z цилиндрической системы координат,, z, Li – расстояние от источника и между линзами, Ri – радиусы линз, Di – толщины линз (рисунок 2.17). Фокусные расстояния линз вычисляются по коэффициентам преломления материала и радиусам кривизны линз с помощью известных соотношений [89]. Выполняются следующие соотношения между размерами и длиной волны:

Ri, Li. (2.6) Изменения фазового фронта волны в теле линз представимы функцией f ( r, ) и отнесены к плоскостям отсчета фазы до и после линз S 0 3. Скалярное уравнение Гельмгольца для любой компоненты электромагнитной волны в объеме между линзами и граничные условия на плоскостях, следуя работе [90], выберем в виде:

L e (,, z ) = 0, L = + k02, (2.7) e (,, li ) = e (,, li 2d ) e i f (, ).

Уравнение, описывающее излучение вторичных волн с поверхности линзы (плоскость S1,3 ), имеет вид:

rr rr Lg (, 0 ) = ( 0 ), (2.8) rr rr где g (, 0 ) - функция Грина [93], а (0 ) – дельта-функция Дирака.

=0.

Следуя работе [91] граничное условие сформулируем в виде g z = Решению граничной задачи (2.8) удовлетворяет функция:

1 e ik0r+ e ik0r rr g (, 0 ) = r r, (2.9) 4 + где r± = 0 + r02 2 0 r0 cos ( 0 ) + z 2, ± символы обозначают прямое и зеркальное изображение вектора относительно рассматриваемой плоскости.

На основании второй теоремы Грина [91] можно записать связь криволинейных интегралов с интегралом по поверхности для функции удовлетворяющей уравнению (2.6) и функции Грина:

rr rr ( e (,, z ) Lg (, ) g (, ) Le (,, z ) )dV = 0 V rr (2.10) g (, 0 ) r r e (,, z ) r e (,, z ) z g (, 0 ) z dS, r r S rr Учитывая вид уравнений для функции g (, 0 ) и e (,, z ) левую часть формулы (2.10) можно записать так:

rr rr ( e (,, z ) Lg (, ) g (, ) Le (,, z ) )dV = 0 V rr r = e (,, z ) ( 0 )dV = e ( r ), V тогда относительно плоскости излучения S, проходящей через точку z = можно записать:

rr g (, 0 ) r r e ( 0, 0,0 ) r r e ( r ) = e ( 0, 0,0 ) g (, 0 ) dS (2.11) r r z z z= S Производные по нормали к плоскости z = 0 будут иметь вид:

g (, 0 ) ik0 z ik0r+ z ik0r 1 z ik0r+ z = + + 2 e ik0r, e e e z 4 r+2 4 r+ r+ r r+ r e ( 0, 0,0 ) = 0.

r z Тогда для точек, лежащих на плоскости второй линзы с левой стороны, значения полей определяются следующим образом:

ik z r z ik0r 1 z ik0r+ z r e ( r ) = e ( 0, 0,0 ) 0 2 e ik0r+ + + 2 e ik0r dS.

e e 4 r+ 4 r+ r+ r r+ r S Значения полей с правой стороны линзы можно определить, используя условие из (2.7):

ik0 z ik0r+ z ik0r + + e e 4 r+ r+ r r r = e i f (,) e ( 0, 0,0 ) e (r ) dS.

1z z l0 + 2 d 3 e ik0r+ 2 e ik0r S 4 r+ r+ r Повторяя процедуру вычисления полей на второй линзе, определяем поля в плоскости исследуемого образца. Линза в общем случае изменяет поляризацию падающей волны. Поэтому строго описать поле дифракции с помощью только одного уравнения Гельмгольца нельзя [90].

Таким образом, алгоритм решения задачи будет состоять из пяти автономных частей: получение распределения поля волны излученной точечным источником на поверхности S 0 ;

распределения поля на поверхности S1 с учетом фокусирующих свойств линзы;

распределения поля на поверхности S 2 с учетом интерференции волн точечных источников, излучающих с поверхности S1 ;

распределения поля на поверхности S 3 с учетом фокусирующих свойств линзы;

распределения поля на поверхности S 4 с учетом интерференции волн точечных источников, излучающих с поверхности S 3.

В качестве средства для программной реализации выбрана система программирования Free-Pascal и прикладной интерфейс API операционной системы Windows. Форма программного интерфейса пользователя представлена на рисунке 2.18.

Рисунок 2.18 – Интерфейс программы Здесь расположены следующие органы управления и задания параметров расчета:

• текстовый редактор для указания расстояния от источника до первой линзы;

• текстовые редакторы для указания радиуса кривизны первой и второй линз;

• текстовые редакторы для указания толщины линз и показателей их преломления;

• текстовый редактор для указания частоты электромагнитного процесса;

• окно выбора вида моделируемого параметра (распределение фазы или поля);

• текстовые редакторы для указания расстояний между линиями.

В центре рабочей области формы отображается графическая информация:

• нормированный профиль распределения поля на рассматриваемых плоскостях;

• графики распределения фаз и полей на рассматриваемых плоскостях.

В программе моделирования предусмотрена запись полученных результатов в файлы для дальнейшей обработки.

На рисунках 2.19 – 2.21 представлены результаты моделирования параметров измерительного тракта по фазовым и амплитудным характеристикам электромагнитного излучения на апертурах фокусирующих элементов. В процессе моделирования изменялся размер L2 – расстояние между второй линзой и экраном, на котором размещался объект исследования.

а) б) в) г) а) - на плоскости S 0, - на плоскости S1, *- на плоскости S 2 ;

б) - на плоскости S 3, - на плоскости S 4. Распределение поля на апертурах: в) - на плоскости S 0, - на плоскости S1, *- на плоскости S 2 ;

г) - на плоскости S 3,- на плоскости S Рисунок 2.19 – Распределение фазы на апертурах а) б) в) г) а) - на плоскости S 0, - на плоскости S1, *- на плоскости S 2 ;

б) - на плоскости S 3, - на плоскости S 4. Распределение поля на апертурах: в) - на плоскости S 0, - на плоскости S1, *- на плоскости S 2 ;

г) - на плоскости S 3, - на плоскости S Рисунок 2.20 – Распределение фазы на апертурах а) б) в) г) а) - на плоскости S 0, - на плоскости S1, *- на плоскости S 2 ;

б) - на плоскости S 3, - на плоскости S 4. Распределение поля на апертурах: в) - на плоскости S 0, - на плоскости S1, *- на плоскости S 2 ;

г) - на плоскости S 3, - на плоскости S Рисунок 2.21 – Распределение фазы на апертурах 2.5 Экспериментальная проверка линзового волновода При выполнении модельных экспериментов были сделаны допущения, которые могли привести к погрешности при вычислении спектров диэлектрической проницаемости. Для оценки достоверности предложенного подхода проведена экспериментальная проверка модельного исследования на СОПах по методике, описанной в предыдущих разделах данной главы.

Исследуемые образцы закреплялись на держателе с диафрагмой диаметром 25 мм, вырезанной в радиопоглощающем экране, который полностью перекрывает поток электромагнитной энергии. В эксперименте использовались два рупорных преобразователя (передающий и приемный) и четыре линзы.

Результаты, приведенные на рисунках 2.22 – 2.24, показывают, что частотные зависимости, полученные из решения прямой задачи и экспериментальные значения коэффициента прохождения практически совпадают.

Коэффициент прохождения, дБ - - - Расчет - Измерение - 26 28 30 32 34 36 Частота, ГГц Рисунок 2.22 – Расчетные и измеренные коэффициенты прохождения СОП – на установке с четырьмя линзами и уменьшенной диафрагмой Коэффициент прохождения, дБ - - - Расчет - Измерение - 26 28 30 32 34 36 Частота, ГГц Рисунок 2.23 – Расчетные и измеренные коэффициенты прохождения СОП – на установке с четырьмя линзами и уменьшенной диафрагмой Коэффициент прохождения, дБ - - - - Расчет Измерение - - 26 28 30 32 34 36 Частота, ГГц Рисунок 2.24 – Расчетные и измеренные коэффициенты прохождения СОП– на установке с четырьмя линзами и уменьшенной диафрагмой На этом основании можно сделать вывод, что разработанный линзовый волновод, содержащий рупорные преобразователи, четыре тефлоновые линзы, может быть использован для измерения электромагнитных характеристик плоского слоя диэлектрика.

Полученный при этом уровень прошедшего сигнала достаточен для исследования композиционных материалов, в которых активная фаза представлена углеродными наноструктурами и наноструктурными оксидными ферримагнетиками.

Выводы В результате проведенного исследования предложен способ измерения спектров диэлектрической проницаемости материалов с большими электродинамическими потерями в диапазоне частот 26 – 37 ГГц, включающим два рупорных преобразователя и линзовый волновод, составленный из четырех тефлоновых линз. Новизна технического решения подтверждена положительным решением о выдаче патента (Приложение Б).

Теоретически и экспериментально доказана обоснованность применения плосковолнового приближения при использовании разработанного линзового волновода. Для экспериментальной проверки использовались стандартные образца предприятия, аттестованные в соответсвии с принятыми правилами.

В результате модельных экспериментов получены оптимальные геометрические размеры измерительной линии, при которых получается равномерное распределение поля на объекте иследования.

Показано, что усреднение результатов измерения электромагнитного отклика методом свободного пространства с применением рупорных преобразователей во всей полосе частот 26-37 ГГц повышает точность измерений коэффициентов прохождения листовых диэлектриков на 20 процентов при сокращении объема измерений в 3-5 раз по сравнению с многократными измерениями в отдельных точках диапазона.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.