МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОВОЛНОВЫХ ПОЛЕЙ И СРЕДСТВА ИХ ЭКРАНИРОВАНИЯ

Человек мыслит «образами», и при рассмотрении вопросов электромагнитной совместимости, решении задач радиолокационной защищённости объектов, при создании антенных систем весьма существенным является образное представление об истинной структуре электромагнитного поля. Одним из наглядных и эффективных методов исследования стационарных электрических и магнитных полей является экспериментальное получение пространственных распределений силовых линий этих полей, которые наблюдаются визуально.

Из реально существующих методов визуализации структуры электромагнитного поля в свободном пространственаиболее прост и информативен метод

с последовательным измерением локальных значений напряженности и фазы поля посредством зонда, вносящего малые искажения в структуру исследуемого поля. Метод основан на локальных (дискретных – по точкам) измерениях амплитуды и фазы векторов поля с последующим построением картины линий равной амплитуды и фазы (амплитудных и фазовых фронтов). Этот метод апробировался при исследовании диэлектрических волноводов, элементов и  функциональных узлов на их основе, а также излучающих устройств в микроволновом диапазоне(сантиметровых и дециметровых волн). Проведённые исследования показали эффективность метода [1].

Наглядность получаемых картин структуры полей дала возможность обнаружить новые свойства замедленных электромагнитных волн в направляющих системах, в частности, явление синфазной локальной связи в открытых направляющих системах со слабым замедлением [4].На рис.1 представлена структура амплитудных фронтов поля в плечах несимметричногоY-соединения диэлектрических волноводов при двух вариантах подачи энергии в их плечи. Характер амплитудных фронтов в соединениях указывает на наличие у данных волноводных узлов направленных свойств, что подтверждается и соответствующими измерениями уровней сигналов в плечах

Рисунок 1. Структура полей в несимметричном Y-соединении

По такому же принципу выполнена и антенная система стенда для измерения коэффициентов отражения и прохождения диэлектриков в свободном пространствена сверхвысоких частотах (рис.2). Она состоит из трех стержневых диэлектрических антенн – передающей и двух приемных, снабженных настраиваемыми коаксиально – волноводными переходами (КВП) и детекторными головками (ДГ).

Рисунок 2. Схема стенда для измерения образцов диэлектриков

Предназначенная для приёма  сигналов, отраженных измеряемым образцом, антенна располагается вблизи передающей антенны и образует с ней направленный ответвитель с локальной связью антенного типа [6]. При определении коэффициентов прохождения образцов приемная антенна располагается за образцом (по отношению к передающей антенне) на подвижном устройстве, обеспечивающем плавное соосное изменение расстояния до передающей антенны. Для измерения коэффициентов отражения при наклонном падении волны передающая и приемная антенны, должны быть раздвинуты в горизонтальной плоскости на требуемое расстояние друг от друга и ориентированы под соответствующими углами. Если применяются антенны круглого поперечного сечения, то вдоль продольной оси стержня вводится тонкая прокладка из поглощающего материала для фиксации требуемой поляризации  поля и уменьшения отражений от антенны при падении на нее волны со стороны свободного пространства (рис.3).Диэлектрический стержень 1, имеющий в торцовой части вертикальный паз 2, через который проходит индуктивный возбуждающий зонд 3, соединенный с коаксиальным разъёмом 4, установлен в отрезке металлического волновода (патроне) 5. Патрон снабжен устройством 6 для крепления антенны на стойке стенда, а также механизмом продольного перемещения всей стержневой антенны 7 и механизмами настройки (согласования) фидерной системы. Согласование антенн с фидером осуществляется короткозамыкателем 8 и коаксиальным шлейфом 9 с диэлектрической шайбой, коническая проточка которой выполнена под углом Брюстера.

Рисунок 3. Пример конструктивного выполнения антенны

Поскольку вблизи свободного торца антенны имеет место почти плоский фазовый фронт волны, а ее взаимодействие с измеряемым образцом в большинстве практических случаев незначительно, коэффициенты отражения на стенде измеряются при малых расстояниях. Поэтому, несмотря на то, что наблюдаемое при удалении от антенн расширение волнового пучка и соответствующее увеличение ослабления отраженного сигнала становятся при переходе к длинным волнам все более заметными, точность измерений и минимально допустимые размеры образца сохраняются такими же, как и на коротковолновом участке. Таким образом, при измерениях материалов почти в пятикратном диапазоне поперечные размеры образцов могут оставаться примерно одинаковыми.

Одной из главных конструкторских задач является проблема обеспечения нормальной работы устройств СВЧ при внутренних и внешних источниках паразитных электромагнитных излучений, которые носят название электромагнитной совместимости(ЭМС). И здесь большую роль играет применение для экранирования различных материалов [5, 7].

Обычно при конструировании отражающих экранов используются немагнитные металлы и диэлектрики (магнитодиэлектрики), тогда как поглощающие экраны требуют применения набора материалов с электрическими или магнитными потерями, обладающих зависимостью электромагнитных параметров от частоты (дисперсией). Остановимся на особых свойствах проводников.

Реальные металлы (s¹¥) обладают простейшей частотной дисперсией, обусловленной проводимостью среды: e = e^¢— js/w. В толстых слоях (с толщиной d много большей толщины скин-слоя D) металлы являются хорошо отражающими материалами, и чем больше проводимость, тем больше коэффициент отражения. В тонких слоях металлы приобретают поглощающие свойства. Коэффициенты отражения и прозрачности сверхтонкого слоя толщиной d<<D являются чисто действительными величинами, не зависят от частоты и равны:

 (1)

соответственно для вертикальной и горизонтальной поляризаций поля, q – угол падения волны на слой, r₀ = 120p [Ом] – сопротивление свободного пространства, = 1/sd – поверхностное сопротивление (тогда как для толстого слоя с d>>D поверхностное сопротивление находится по формуле R_S = 1/sD). Коэффициент поглощения определяется как для слоёв с потерями: D =1-|R|²-|T|². Амплитудные зависимости R, Т и D от нормированного поверхностного сопротивления 2r/r₀ (рис.4) носят релаксационный характер и не зависят от  частоты.Подобными свойствами обладают и сверхтонкие металлические нити. При конечных размерах таких плёнок или нитей (с толщиной  или диаметром d<<D) для сохранения этих свойств необходимо, чтобы, по крайней мере, другой размер во много раз превосходил толщину скин-слоя D.

Рисунок 4. Графические зависимости R, Т и D для сверхтонких пленок

Существуют различные подходы к задаче оптимизации многослойных поглощающих экранов[3]. Задача моделирования частотных характеристик экранов, обладающих комплексными электрическими и магнитными потерями, решается в зависимости от их габаритных и электрофизических параметров, определяющих распределения диэлектрической и магнитной проницаемостей по толщине. Чтобы оценить их влияние на значения коэффициента отражения с учетом параметров структуры (толщины и широкополосности), наиболее удобно рассматривать достаточно общиезаконы изменения  и , для которых существуют точные решения волнового уравнения. В качестве модели исследований выбран магнитодиэлектрический слой, обобщенный закон изменения диэлектрической и магнитной проницаемостей которого носит экспоненциальный характер

         (2)

поскольку метод прямой оптимизации приводит к распределению, близкому к экспоненциальному. Здесь  — любая произвольная функция z; С, А — произвольные постоянные, К = 0 или . Их вариации обеспечивают изменение в широких пределахэлектрофизических характеристик слоя, а также нахождение требуемой дисперсии электромагнитных параметров, обеспечивающей минимальное значение коэффициента отражения в полосе частот.

Локальный коэффициент отражения для выбранного закона (2) в случае расположения неоднородной магнитодиэлектрической структуры на металле выражается через элементарные функции в замкнутом виде

Класс поглощающих экранов рассеивающего типа получил особенно широкое применение в практике разработки безэховых камер.

Рисунок 5. Профили неоднородности и частотная зависимостьR

К ним относятся структуры шиповидного типа, а также их разновидности. Дисперсионные свойства сверхтонких проводящих пленок (1) обусловили их использование и для построения поглощающих структур шахтного типа (рис.6).

Рисунок 6. Неоднородная структура шахтного типа

Методы расчета основаны на решении трансцендентного уравнения в случае распространения волн в волноводе с импедансными стенками в предположении, что их толщина d много меньше толщины скин-слоя .

Дисперсионное уравнение запишется в виде

Рисунок 7. Расчетные графики для однородной структуры шахтного типа

Резонансный эффект в области изменения параметра  отсутствует, а имеет место лишь частотная дисперсия, присущая материалу слоев. Для обеспечения градиентных свойств шахтная структура выполняется или с переменным периодом (рис.6), или из пленок с переменным поверхностным сопротивлением.

Если не накладывать жесткие ограничения на толщину поглощающей структуры, то для расширения диапазона можно использовать структуру рассеивающего типа, совмещенную с магнитодиэлектрическим подслоем (рис.8).

Рисунок 8. Структура на подслое и частотная зависимостьR

Анализ мало отражающих в широком угловом секторе структур показал перспективность использования периодических вдоль границы раздела структур, поскольку здесь можно ожидать преобразования энергии падающей волны в поверхностные (волноводные) волны. Подобные эффекты возникают и в структурах с периодической модуляцией комплексного профиля показателя преломления.Рассмотрим процесс рассеяния плоской электромагнитной волны приподнятой решеткой, образованной за счет периодической модуляции коэффициента преломления и расположенной над идеальным металлическим зеркалом (рис.9,слева).Область I свободного пространства описывается неравенством , а область решетки II – неравенством , гдеd – высота лент. Уравнения их плоскостей имеет вид , P – расстояние между соседними полосами. На периоде  комплексная диэлектрическая проницаемость e в области решетки

Список литературы:

1. Будагян И.Ф., Взятышев В.Ф., Дубровин В.Ф. и др. Многоплечие диэлектрические соединения: принципы действия и закономерности дифракции высших типов волн //Физика и технические приложения волновых процессов: труды XI МНТК. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та.2012. — c.28-29.
2. Взятышев В.Ф., Дубровин В.Ф., Евтихиев Н.Н., Мировицкий Д.И. Диплом на открытие №79 с приоритетом от 27.04.1959. Бюллетень изобретений,№18.1970. — с.5.
3. Дубровин В.Ф.,Будагян И.Ф. Исследование пространственной структуры электромагнитных полей // Электронный сетевой научно-методический журнал «ВЕСТНИК МГТУ МИРЭА» №1 (6), 2015. – с.134-143.
4. Владимиров Д.Н., Хандогина Е.Н. Материалы для защиты от электромагнитных полей // Мир техники и технологий. № 5. 2007. — с.46-48.
5. Щелокова А.В., Мельчакова И.В., Слобожанюк А.П. и др. Экспериментальные реализации маскирующих покрытий //УФН, вып. 2015.- с.181–206.
6. Будагян И.Ф. , Головченко Г.C., Дубровин В.Ф. , Усатюк  В.В. Излучающие устройства СВЧ и экранирование: учеб. пособие. М.:МИРЭА, 1992. – 79с.
7. Будагян И.Ф., Дубровин В.Ф., Сигов А.С. Электродинамика. Современные технологии: Учебное пособие. М.: Альфа М: ИнфраМ. 2013. -304с.[schema type=»book» name=»МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОВОЛНОВЫХ ПОЛЕЙ И СРЕДСТВА ИХ ЭКРАНИРОВАНИЯ» author=»Будагян Ирина Фадеевна, Дубровин Владислав Федорович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-03-02″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_27.06.2015_06(15)» ebook=»yes» ]