автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Оперативные резонаторные методы исследования диэлектриков и углепластиков в диапазоне СВЧ

од

2 о СЕН

На правах рукописи

БОГДАНОВ НИКОЛАИ

ОПЕРАТИВНЫЕ РЕЗОНАГОРНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ И УГЛЕПЛАСТИКОВ В ДИАПАЗОНЕ СВЧ

Специальность 05.12.07 - Антенны и СВЧ устройства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995

Работа выполнена на кафедре Антенных устройств и распространения радиоволн Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Сазонов Д.М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Баскаков С.И., кандидат технических наук Колосова Т.А.

Ведущая организация указана в решении диссертационного Совета Московского энергетического института (технического университета).

энергетического института (технического университета) (МЭИ) по адресу: Москва, ул. Красноказарменная, 17, ауд. А-402.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

о

¡ащита состоится

на заседании диссертационного Совета К 053.16.13 Московского

Автореферат разослан

•Ученый секретарь диссертационного Совета к.т.н., доцент

Курочкина Т.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работа. Развитие техники СВЧ и антенн в значительной степени связано с расширением использования неметаллических элементов тракта. Важнейшими с точки зрения обеспечения требуемых технических характеристик СВЧ-аппаратуры становятся диэлектрические и углепластические компоненты.

В классе диэлектриков по функциональному назначению можно выделить два основных подкласса материалов: конструкционные диэлектрики, основными параметрами которых являются относительная диэлектрическая проницаемость ег и тангенс угла диэлектрических потерь а также листовые металлизированные (в том числе фольгированные) материалы, применяющиеся в полосковой технике СВЧ и чаще всего характеризующиеся параметрами выполненной на их основе линии передачи -эффективной диэлектрической проницаемостью е0 и коэффициентом погонного затухания а. Параметрами, наиболее полно отражающими суть использования углепластиков в качестве рефлекторов зеркальных антенн, являются модуль комплексного коэффициента отражения поля при нормальном падении плоской волны |р| и удельная абсолютная (относительная) электрическая проводимость оа (ог).

Серьезным недостатком существующих технологий производства указанных СВЧ-материалов является отсутствие выходного контроля их параметров в предполагаемом для использования диапазоне частот. Это приводит к существенному снижению процента выхода годных изделий, отвечающих заданным техническим требованиям и, как следствие, значительно замедляет процесс проектирования и настройки СВЧ-аппаратуры, а также увеличивает ее себестоимость. С точки зрения надежности функционирования дополнительную сложность представляет нестабильность параметров СВЧ-материалов, проявляющаяся при эксплуатации аппаратуры в неблагоприятных условиях, например при воздействии факторов космического пространства, и при длительном складском хранении.

Традиционные способы тестирования диэлектриков можно разделить по используемым инструментальным средствам на 2 группы: волноводные и резонаторные. В обоих случаях образец исследуемого материала размещается внутри закрытого объема, и по изменению соответственно комплексного коэффициента передачи (отражения) или резонансной частоты и добротности относительно исходных (в отсутствие образца) значений рассчитываются величины ег и Подобным методам присущ ряд общих недостатков: низкая оперативность, необходимость изготов-

ления образцов специальной формы, высокие требования к соблюдению их заданной геометрии и качеству обработки поверхностей, невозможность локального тестирования. Кроме того, традиционные методы позволяют проводить исследования образцов только неметаллизированных диэлектриков, тогда как в реальных условиях эксплуатации воздействию подвергаются платы полосковых устройств при наличии металлизации по крайней мере одной из сторон, а погонное затухание обусловлено диссипацией энергии не только в диэлектрике подложки, но и в проводниках. Резонаторный способ, не требующий фазовых измерений и обладающий большей чувствительностью, потенциально обеспечивает более высокие точностные показатели.

Рекомендуемые ГОСТами резонаторные метода исследования диэлектриков предусматривают проведение экспериментов, как правило, на частотах не выше 1 ГГц и не учитывают тенденцию развития техники СВЧ более коротковолновых диапазонов.

Вследствие сравнительно недавнего начала использования углепластиков в антенной технике методы определения их параметров развиты недостаточно хорошо, отличаются сложностью организации эксперимента и высокой стоимостью специального оборудования.

Таким образом, в настоящее время существует потребность в разработке методик и установок нового поколения, обеспечивающих быстрое и достоверное тестирование СВЧ-материалов при функционировании в составе производственно-технологического оборудования, при выполнении НИР и ОКР по антенной тематике и при создании информационного банка, содержащего усредненные данные о влиянии эксплуатационных факторов на параметры диэлектриков и углепластиков.

Цель работы - разработка и реализация методов нового поколения для тестирования в диапазоне СВЧ диэлектриков и углепластиков с возможностью быстрого обследования больших партий образцов при минимальных требованиях к их геометрии и точности изготовления. Эта цель достигается в результате проведения работ по следующим основным направлениям:

- обобщение и анализ публикаций по датой тематике;

- формулировка основных концепций предлагаемых методик;

- проектирование, изготовление и настройка специальных узлов тестовых установок;

- разработка математического и программного обеспечения;

- проведение тестовых экспериментов, сравнение их результатов со справочными данными;

- оценка инструментальных и методических погрешностей;

- автоматизация процесса тестирования.

Катода исследования. При выполнении работы использовались теоретические, вычислительные и экспериментальные методы исследования устройств СВЧ. Для построения математических моделей и алгоритмов обработки данных измерений применялись: метод интегральных уравнений с использованием принципа эквивалентности и аппарата собственных функций, проекционная процедура Бубнова-Галеркина, обобщенный метод собственных колебаний, метод эквивалентных схем, матричная теория многополюсников СВЧ, численные методы интегрирования, решения нелинейных уравнений и построения атароксимационных полиномов. Определение параметров СВЧ-материалов производилось косвенным резо-наторным способом по результатам измерения частот и добротностей резонансов.

Обоснованность научных полояоний и достоверность результатов

обусловлена использованием апробированного способа тестирования радиоматериалов и методов исследования устройств СВЧ. Об эффективности предложенных методов, адекватности разработанных математических моделей реальным условиям экспериментов, отсутствии ошибок в алгоритмах и правильности работы программ можно судить по результатам тестовых экспериментов и расчетов, хорошо совпадающим со справочными данными.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена новая методика неразрушагацих исследований конструкционных диэлектриков с помощью коаксиального резонаторного зонда.

2. Разработана новая методика исследования листовых металлизированных и неметаллизированных диэлектриков с использованием резонаторов, выполненных на основе квазисимметричной полосковой линии передачи (квазиСПЛП) с применением тонкопленочных плат.

3. Предложена новая методика исследования листовых металлизированных диэлектриков с использованием резонаторов, выполненных на основе несимметричной полосковой линии передачи (НПЛП).

4. Разработана новая методика исследования листовых углепластиков с использованием образцов, выполняющих роль полосковых "проводников" НПЛП резонансной длины.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что разработанные и апробированные методики, алгоритмы и устройства могут найти применение при организации технологического процесса производства диэлектриков и углепластиков с целью выходного контроля их параметров в диапазоне СВЧ, при создании информационного банка, содержащего данные об изменении параметров СВЧ-материалов под дей-

ствием эксплуатационных факторов и при длительном складском хранении, при проведении НИР и ОКР по антенной тематике, а также при решении различных прикладных задач.

Внедрение. Результаты работы внедрены в НПО "Энергия" и ТОО "Конкур, ЛТД", о чем свидетельствуют 2 акта о внедрении.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на XXVII Международной конференции по теории и технике антенн (ТТА-94), г. Москва, 1994 г., на II Международной научно-технической конференции "Направления развития систем и средств радиосвязи" (Воронеж - май 95), г. Воронеж, 1995 г. и на III Всероссийской научно-технической конференции "Фазированные антенные ре -шетки и перспективные средства связи" (ФАР-94), г. Казань, 1994 г.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в статьях и тезигах докладов 11]-[5]. Еще одна статья принята в печать, подана заявка на изобретение.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5-ти глав, заключения, 2-х приложений и списка литерэтуры. Работа содержит 193 страницы, из них: 42 страницы рисунков и таблиц, 12 страниц приложений. Список литературы включает 9ь наименований на Ю страницах.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика неразрушающих исследований конструкционных диэлектриков с помощью коаксиального резонаторного зонда.

2. Методика исследования листовых металлизированных и неметаллизи-рованных диэлектриков с использованием резонаторов, выполненных на основе квазиСПЛП с применением тонкопленочных плат.

3. Методика исследования листовых металлизированных диэлектриков с использованием резонаторов, выполненных на основе НШ1П.

4. Методика исследования листовых углепластиков.

5. Кострукции резонаторного зонда и измерительных камер.

ь. Пакет прикладных программ, обеспечивающих обработку первичных экспериментальных данных. 7. Результаты тестовых экспериментов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, проанализированы недостатки традиционных методов исследований диэлектриков и углепластиков в диапазоне СВЧ, а также основные тенденции современного развития данного направления метрологии, сформулированы цели и задачи работы, изложено краткое содержание диссертации по главам.

В первую главу включены 2 раздела. В 1-ом из них рассмотрены общие вопросы организации тестирования диэлектриков и углепластиков с использованием выносимых на защиту методов.

На рис.1 представлена функциональная схема установки, обеспечи-

ГКЧ

Р2-78 (Р2-73)

ГКЧ

БИ

ДС

ДС

Ручной режим

ПК (ИЗ)

- генератор качающейся частоты,

БИ - блок измерительный, Ч - частотомер 43-68,

-Ш—[

ПЭВМ

и

ПЭВМ

д

ДС

ИК(ИЗ)-

- интерфейс,

- персональная ЭВМ,

- делитель СВЧ-сигнала,

- детекторная секция,

измерительная камера (измерительный зонд).

Рис.1. Функциональная схема измерительной установки

вашей проведение исследований в автоматизированном и ручном режимах. Перед началом эксперимента проводится калибровка панорамного измерителя КСВН и ослабления Р2-78 (рабочая полоса частот 1.25-5.2 ГГц) или Р2-73 (0.05-1.25 ГГц) по изложенной в инструкции по эксплуатации методике. При работе в автоматизированном режиме в памяти управляющей ПЭВМ фиксируются массивы данных, представляющие собой выборки из резонансных частотных зависимостей ослабления мощности проходящего через резонаторннй зонд (измерительную камеру) сигнала. Частоты и добротности резонансов определяются по эппроксимаиионным полиномам.

Точностные показатели являются одной из основных количественных и качественных характеристик любого метода экспериментальных исследований и во многом обуславливают его потенциальные возможности. Основу материала 2-го раздела главы составляет краткий структурный анализ итоговых погрешностей, позволяющий с единых позиций рассматривать ошибки определения искомых параметров с помощью выносимых на защиту методов. Сопоставлены погрешности измерения частоты н добротности резонанса в обоих режимах проведения эксперимента. Показано, что автоматизированный режим предпочтительнее не только из-за большей оперативности, но и вследствие относительно меньшего уровня вносимых ошибок.

Вторая глава посвяшенэ разработке метода неразрушаклцих исследований конструкционных диэлектриков с помощью коаксиального резона-

торного зонда (1]-[5 ].

Во вступлении приведен обзор публикаций по данной тематике.

На рис.2а представлен эскизный сборочный чертеж резонаторного зонда (спроектированы и изготовлены 2 экземпляра зонда, различающиеся длиной верхней области резонансной полости). С помощью одной из петель связи в резонаторе четвертьволнового типа возбуждаются Т-колеОания, причем вблизи его разомкнутого конца образуются пучность электрического и узел магнитного полей. Силовые линии квазистатического электрического поля проникают во внешнее полупространство и оказываются сосредоточенными вблизи раскрыва зонда. При этом частоты и добротности резонансов зависят от 5Г и 1^6 среды, заполняющей пространство в области локализации внешнего поля.

Для построения расчетной модели полость резонатора разбивается на 4 частичные области, кольцевые границы которых оказываются в плоскостях скачков сечения внутреннего и внешнего проводников (рис.26). Вследствие локальности квазистатическогс поля вблизи раскрыва считается, что фланец резонаторного зонда бесконечен, а исследуемый материал с относительной комплексной диэлектрической проницаемостью Е5=€5(1-1г@35) занимает все нижнее полупространство -область 5. Рассматриваются свободнее Т-колебания в резонаторе. С использованием принципа эквивалентности кольцевые границы областей условно металлизируются и с обеих их сторон вводятся одинаковые по модулю и противоположные по фазе вспомогательные поверхностные магнитные токи и 1,2,3,4. формализация условий непрерывности на границах областей тангенциальных составляющих магнитных полей приводит к системе интегральных уравнений Фредгольма 1-го рода:

- V ^) - «ф2^ф1 > + = 0 на 51

' - "ф2^ф2» - Кф3^ф2> + "фЗ^фЗ* = 0 На 52

"ф3^ф2> - НфЗ^З> - «Ф4(^ФЗ) + »Ф4(^ф4) = 0 на 53

Нф4'^3> - Н^, - Нф5(^4) = 0 нз Б4

где - ф-ая составляющая вектора магнитного поля в области

~*гп

и (ц = 1,2,3,4,5), создаваемая поверхностным магнитным током

- кольцевая граница раздела областей. -*т

Для токов вводится разложение по векторным ортонормированным базисным функциям, совпадающим с собственными функциями электричес-

(1

Рис.2 РЗ: эскизный чертен (а);

модельная ситуация (б)

(дб оооз

(а)

ч-1-'-1-'-1-'-1-Г~~ .,- /г-

)оо 0.02 оо< о.ов о.ов о.ю агт/¥т

-'-1-1-1-Г ЛО /□

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.3 0.» 0.7 ДВт/В„

!л.1

Рис.3 Расчетные зависимости 5г(ДРтЛ,т1) (а) и г^ДВ^^,) (б) Расчетные и измеренные собственные резонансные частоты и добротности

1-ая резонансная гармоника 2-ая резонансная гармоника

"3 °С1 Рт1 °Ш1 Р^Т ^ДГц °С1 гп1,мгц Чп1

1 1007.92 935677.51 1011.56 769.97 3128.32 797653.18 3135.44 984.12

2 1497.64 860740.42 1506.53 673.38 4577.14 724112.29 4581.75 852.42

1Л.2 Выборка результатов измерений

РЗ 1 2 Справочные значения

фмоника >зонанса 1 о 1 о

Материал »бразца с т гёО с ■ 'Т с "Г с 'Т

■оропласт 4 0111 и. 000298 2. 0114 0. 000308 2. 0113 0. 000303 2. 0115 0. 000316 2.000 ±0.1 0.0003

1лиэтилен '¿. 2879 и. 000176 2. 2888 0. 000186 2. 2882 0. 000182 2. 2894 (3. 000193 2.287 ±0.003 0.00017

Кварц 3. 8096 0. 000106 3. 8102 0. 1X0117 3. 8112 0. 000112 3. 8109 0. 000121 3.805 ±0.5* 0.00009

кого типа кольцевых границ областей.

Система интегральных уравнений (1) с помощью проекционной процедуры Бубнова-Галеркина сводится к системе линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), которая в матричной форме имеет вид:

"Л *п %

о

О

У2 42

^22+ ^22

32

О

123 у33+ У33

У4 43

о

6

У4

У4 У5 44 44

и1>п 0>

и2> 0>

иэ> 0>

Л\ 0>

(2)

где Урд - матрицы, составляющими которых являются проводимости между базисными функциями р-го и ц-го (р,ч=1,2,3,4) поверхностных магнитных токов в области и, и7> - векторы-столбцы неизвестных комплексных амплитудных коэффициентов разложения токов о я 0> нулевые матрицы и векторы-столбцы, соответственно.

Проводимости внутренней задачи вычисляются по формулам, полученным с использованием представления магнитных полей в частичных областях 1 - 4 в виде рядов Фурье по координате г. Внешние проводимости определяются путем численного интегрирования выражений, являющихся следствием представления магнитного поля в полупространстве в виде двойного интеграла Фурье по координатам х и у. В обоих случаях зависимость полей от координаты г задается истокообразным представлением Коши.

Эксперимент проводится в 2 этапа. Последовательно определяются частоты Р^ и добротности = Г^/В^ резонансов в отсутствие (3=1) и при наличии (3=2) образца в раскрыве резонатора; Вт^ - ширина резонансной кривой на уровне -3 дБ относительно максимума.

Обработка результатов эксперимента проводится с использованием обобщенного метода собственных колебаний. На первом этапе путем приравнивания к нулю определителя матрицы СЛАУ (2) рассчитывается собственная комплексная частота резонатора в отсутствие образца в раскрыве, соответствующая выбранной для тестирования гармонике резонанса (табл.1) (1*1/(2С2с1)). (3)

Далее аналогичным методом с учетом изменений характеристик резонанса при переходе к зондированию образца - дРт=Гт1-Рт0 и ДВт=Вт2-Вт1 - вычисляется величина играющая роль собственного значения матрицы СЛАУ (2).

На рис.За,б представлены расчетные зависимости соответственно

е5(ЛГт/Рт1) и гв05(ЛВт/Вт1). В табл.2 приведен ряд результатов тестовых экспериментов и справочные данные для сравнения.

Относительные погрешности метода на частотах 1-ой и 2-ой резонансных гармоник обоих зондов в интервалах 1 20, З-Ю"4^ ^

¿>-Ю--3 оцениваются значениями: |0ег| <0.4%, |огво | <1256и |Сег|<1.2Я, |(П50|<г60* соответственно в автоматизированном и ручном режимах.

Основные достоинства метода - высокая чувствительность, локальность и оперативность тестирования, хорошие точностные показатели, отсутствие жестких требований к форме образцов. Недостатки - сложность достоверного определения высокодобротных материалов

Э-Ю"4), увеличение затрат машинного времени с ростом ег образца.

Модернизированная конструкция резонаторного зонда составляет предмет заявки на изобретение.

Третья глава посвящена разработке метода исследования листовых металлизированных и неметаллизированных диэлектриков с использованием резонаторов, выполненных на основе квазиСПЛП с применением тонкопленочных тест-плат [3]-[5].

Изложение основного содержания главы предваряет краткий обзор близких по тематике публикаций.

На рис.4 схематично изображена измерительная камера. Исследуемый образец состоит из 2-х прямоугольных пластин листового диэлектрика. Между пластинами зажимается тест-плата - тонкая (десятки мкм) диэлектрическая пленка, на одной стороне которой напылены или вытравлены (если пленка металлизирована) разомкнутый с обеих сторон по-лосковый проводник резонатора и полоски связи с внешним СВЧ-трактом (рис.5). Поверхности диэлектрических пластин, обращенные к тест-плате, полностью лишены металлического покрытия, а противоположные поверхности могут быть металлизированы и играть роль экранов в квазисимметричной полосковой структуре. При отсутствии металлизации экранами служат медные прижимные пластины.

Отличия от структуры СПЛП состоят в том, что: 1) полосковый проводник отстоит от горизонтальной плоскости симметрии измерительной камеры на величину 5/2, где з - толщина пленки тест-платы; 2) вследствие ненулевой толщины полоска г имеет место воздушный зазор между одной из пластин образца и пленкой тест-платы; 3) присутствует слой диэлектрика (пленка тест-платы), характеризующийся параметрами и в общем случае отличными от вр и ЪдО основной подложки (образца).

э 6 с ьчч ч \ \ \ ч ч м 1 . 1 3

Рис.4 Измерительная камера

1 - образец,

2 - тест-плата,

3 - КПП,

4 - подводящий тракт,

5 - прижимные пластины,

6 - экранирующая

Фольга.

7/ * 1С

Рис.5 Тест-плата

Ко 1!"

+

I

£г, £, 109-

Г.Д.,-1 008.

1 1 у т/п»1/2.

1 1 1 1.-2Ц,

1 \ 1 1 - 1_-30 ни.

1 1 V 2 - и-во их.

\ \ \ з - и.-ео мм

\ \ \ (н»р«="0 017

\ \2 \----«г

V \

Рис.б Эквивалентная схема резонатора 1дб о.ооз

0 5 1.0 1.з гьо г.з 3.0 3.5 «о Р„, ГГц

(а)

0.001 0.003 0.005 0.007 0.008 }/0 (б)

Рис.7 Расчетные зависимости еГ(Рт), ее(Рт) (а) и 1:^(1/(3) (б) Табл.3 Выборка результатов измерений

1 -ая тест-плата Полистирол 4 Б, мм 0.035 Ь^ = 61.34 мм VI, мм 1 .35 г, мм 0.035 (медь)

2-ая тесу-плата = 122.79 мм

Материал образца Ъ,мм При 1-ой тест-плате При 2-ОЙ тест-плате Измеренные значения Справочные значения

Р1, МГц ?2* МГЦ °2

Р3, МГц «3 ?6, МГц «6 с "г С т

ФАФ-4 2.07 1501.24 318.74 1521.12 322.56 2.5895 0.00116 '¿.Ь± 0.2 0.0010

4513.41 406. '18 4571.63 414.63 2.5798 0.00130

ФЛАН-5 0.96 1106.94 195.02 1115.69 201.39 4.8946 0.00161 0.00176" Ь.0± 0.2 0.0015

ФЛАН-10 1 .01 788.37 174.55 794.12 179.04 9.7095 0.00173 10.0± 0.5 0.0015

2367.56 231.43 2385.39 244.28 9.6841 0.00192

Зквивалентная схема резонатора, включающая схемы замещения разрывов колоскового проводника, представлена на рис.6.

Выражение для относительной эффективной диэлектрической проницаемости квазиСШШ б0 следует из условия резонанса для резонатора полуволнового типа: Ь+ЛЬе=КЛ^/2, (4)

где Ь=к1 - длина полоска резонатора, к=1,2,3..., ДЬ0 - гипотетическое эквивалентное удлинение резонатора за счет концевых эффектов, Лк=с/(1кве'5) ~ длина волны в структуре, к и Р^ - соответственно номер гармоники и частота резонанса, с « 2.99776-108 м/с - скорость распространения электромагнитных волн в вакууме.

а0=(О.5кс/Р1с(к1+лье))2 (5)

Величина ДЬ0 определяется с использованием калисровочной процедуры на основе результатов последовательного измерения резонансных частот при 2-х тест-платах в присутствии одного и того же образца:

1-ая тест-плата: длина полоска резонатора Ь^т^, эквивалентная длина с учетом концевых эффектов Ьет=т1+ДЬ0, измеряемая частота ш-ой резонансной гармоники Рт;

2-ая тест-плата: Ьд=п1, Ьеп=п1+ДЬе, ?п, п^ш.

Частоты Рт и Рп весьма близки (их различие составляет около 1% и обусловлено неодинаковым относительным эквивалентным удлинением резонансных отрезков: ДЬ0, поэтому величины ДЬ0 и ее считаются неизменными при обоих экспериментах.

РтЬО.5с/8О-5-ГтДЬ0/га

Рп1=0.5с/£О"5-РпДЬе/п' (6)

Из формулы (5) следует система уравнений:

откуда ее=(с(1-шГп/(п1'гп))/(21'п1(1-ш/п)))2, ДЬе=т(0.5с/(Рте°-5)-1 ).

Значение е рассчитывается с использованием эмпирической формулы, полученной путем обобщения результатов проведенных экспериментов: 5г=ее(П(з+1;)/П)-(ег1.Б+1;)/]1, (7) где Ь - толщина каждой из пластин образца.

Параметры потерь образца и квазиСПЛП определяются на основании результатов измерений добротностей резонансов От=Ет/Вт и 0П=РП'/Вп в присутствии каждой из тест-плат. При построении расчетной модели принимается во внимание, что: 1) большинство силовых линий электрического поля, пронизывающих тест-плату, пересекают ее по кратчайшему пути; 2) << 2Ь и 3) ^ С учетом этих обстоятельств в 1-ом приближении считается, что рассматриваемая полосковая струк-

тура не отличается от структуры СПЛП.

Нагруженную дооротность резонатора можно представить в виде суммы 3-х парциальных составляющих: • (8)

где К=т или п, 0С^ и 0^ - добротности, обусловленные диссипацией энергии колебаний соответственно в металле проводников и диэлектрике образца, а 0^ - добротность связи резонатора с внешним трактом. Как показывает практика, в случае ослабления мощности падающей волны при прохождении через резонатор на 35-37 дБ и более (в основном за счет торцевых зазоров между полосковыми проводниками) величиной 1/0 можно пренебречь, а нагруженную дооротность считать собственной добротностью резонатора.

0С=4.345 р/ас=Р/ас, (9)

где 0 [м~1]- коэффициент фазы, а„ [дБ/м] - погонный коэффициент зэ-

О 5

тухания, соответствующий парциальной добротности 0С, Р=90.96 Г е^г, 1' [ГГц] - частота. Значение ас вычисляется на основании результатов измерений геометрии резонаторов и частот резонансов Рт, Рп с учетом априорной информации о величине удельной проводимости металла проводников.

0^=0/0^1/0^ Г1, гео=1/ол. (Ю)

По аналогии с формулой (5) можно записать аддитивное соотношение:

а.=ас+ай, (11)

где а и а^ - погонные коэффициенты затухания, соответствующие добротностям 0 и Од.

аа=4.345 0 = Р [дБ/м]. (12)

На рис.7а,0 представлены расчетные параметрические зависимости соответственно ег(Рт), £е(Ут) и г^(1/0). В табл.3 приведены выборочные результаты экспериментов и справочные данные для сравнения.

Относительные погрешности метода в интервалах: 0.7 £ £ 5.2

ГГц, 2 £ 10 и 3-Ю-4 ^ гдб 1.5-Ю-3 оцениваются значениями: |Оег|ОЖ, |5гв©| , |еаа| <40%. |0а| <35%и |05Г| <3%, I огво I , |бай| <70%, |ба|<60% соответственно в автоматизированном и ручном режиме.

Достоинства метода - хорошая достоверность определения ег, простота расчетного алгоритма, изготовления образцов и подготовки измерительной камеры к проведению эксперимента, возможность тестирования как металлизированных, так и неметаллизированных листовых диэлектриков различной толщины в реальных условиях их использования в качестве подложек СПЛП. Недостатки - принципиальная ограниченность максимальной рабочей частоты при исследованиях параметров потерь,

связанная с необходимостью (вследствие особенностеГ расчетного алгоритма) проводить эксперименты в одномодовом режиме и усугубляющаяся с увеличением ег образца (при е0= 2 £сг ^=6.63 ГГц, при ее= 10

*сг Н(-)= 2-97 ГГЦ)« сложность достоверного определения < 5-Ю-4.

Четвертая глава посвящена разработке метода исследования листовых металлизированных диэлектриков с использованием резонаторов, выполненных на основе НПЛП [3]-[5].

Во вступлении приведен обзор близких по тематике публикация.

На рис.8 схематично изображена измерительная камера. Образец представляет собой резонатор в виде прямоугольной пластины листового диэлектрика, одна поверхность которой металлизирована, а на другой посередине во всю длину выполнен прямолинейный полосковый проводник (рис.9). Образец размещается между подвижными каретками, на которых закреплены коаксиально-полосковые переходы (КПП). Контакт между штырями КПП и полоском резонатора отсутствует. С целью устранения потерь энергии на излучение резонатора камера экранируется таким образом, что экран вместе с основанием образуют отрезок запредельного на частотах измерений квадратного волновода. С помощью экрана также осуществляется пршшм металлизированной поверхности образца к основанию измерительной камеры.

Эквивалентная схема резонатора, отражающая емкостный характер его связи с внешним трактом, схожа с представленной на рис.6.

Отдаление штырей КПП от краев полоска приводит к: 1) снижению уровня связи резонатора с внешним трактом и вследствие этого 2) повышению добротностей резонансов; 3) некоторому возрастанию резонансных частот, свидетельствующему об уменьшении эквивалентного удлинения резонатора ДЬ0 за счет концевых эффектов.•При достижении ослабления мощности падающей волны, проходящей через резонатор, на 34-36 дБ и более характеристики резонансов практически стабилизируются, что можно трактовать как обнуление емкостей С0 и возрастание величины С3 до значения концевой емкости разомкнутой НПЛП. В этом случае величина ДЬ., может быть достаточно точно определена по известным формулам. Дополнительным преимуществом проведения эксперимента при малом уровне связи является возможность вычисления параметров, характеризующих затухание в образце, без учета потерь энергии на возбуждение резонатором волн во внешних цепях.

Нелинейное уравнение для определения НПЛП-и 5Г образца следует из условия резонанса для резонатора полуволнового типа (4)

1 1 1ЛЛЛЛЛЛ1\ЛЛЛЛЛ1

Рис.8 Измерительная камера

1 -2 -

3 -

4 -

5 -

6 -

образец, подвижная каретка, штырь КПП подводящий тракт, экран измерительной камеры, основание.

(а) (0)

Рис.10 Расчетные зависимости е.^.,), бд^) (а) и (б)

Табл.4 Выборка результатов измерений

Материал образца Ь, ММ ад, мм 11, ММ г, мм Рг МГц; СЦ г3, МГц; а3

8Г ОСН. 1^6 Ег осн.

ег альт. 5Г альт.

ФАФ-4 80.61 5.72 2.07 0.035 1229.65; 480.321 3667.52; 580.298

2.580Э 0.00110 2.5704 0.00121

2.5782 2.5718

ФЛАН-5 59.94 1 .44 0.96 0.035 1302.71; 251.001 3888.52; 329.814

4.9073 0.00155 4.8949 0.00169

4.9212 4.9115

ФЛАН-Ю 44.80 0.98 0.99 0.035 1293.88; 228.1% 3835.44; 301.998

9.7120 0.00162 9.7270 9.7602 0.00175

Р^-к С/(2(Ь+ДЬ0)6д"^)=О. (13)

Значения зв и ег вычисляются путем решения уравнения (13) методом хорд с использованием известных из литературы эмпирических формул для волнового сопротивления и е9 НПЛП с учетом дисперсии.

Параметры потерь рассчитываются на основе измеренного значения добротности резонанса а^О/О^Я/О^)-1. Величина <3С вычисляется с использованием данных об удельной проводимости полоска и экранной поверхности образца, геометрии резонатора и частоте резонанса.

аа=а-ас; а=90.9б£е°-5/а [дБ/м], £ [ГГц]; ас=4.345 |3/<ЭС [дБ/м], (14)

где р=6.286 { е°-5/с;

(1 -1 /ег)/С0а{ 1 -1 /ее)), где Ой=(1/0-1/ОсГ1 • (15) На рис.Юа,0 представлены расчетные параметрические зависимости соответственно ег(Р1), ее(Р1) и гя0(1/0).

В отсутствие аппаратуры с динамическим диапазоном, обеспечивающим проведение эксперимента при уровне связи -(35-40) дБ, предлагается для учета влияния концевых емкостных реактивностей на значения резонансных частот использовать процедуру калибровки. Расчетные соотношения выводятся с использованием матричной теории многополюсников СВЧ. Для вычисления е8 и 5Г выполняются 3 измерения резонансных частот и модулей коэффициентов передачи на этих частотах при различных положениях штырей КПП относительно торцов полоска.

В табл.4 приведены выборочные результаты тестовых экспериментов (справочные значения совпадают с указанными в табл.3).

Относительные погрешности метода при 0.5£ ^<3.95 ГГц, 2 ^е^ Ю и 3• ю-4 ^ ^ 1.5-Ю-3 оцениваются значениями: |0ег| , |0бе| <1%, |<П£0|, |Сай|07*. |0а|<30%и |05г| , 10ее | <356. | ©а^ | <65%,

|ба| < 53% соответственно в автоматизированном и ручном режиме.

Достоинства метода - простота расчетного алгоритма, возможность проведения достоверных исследований ее и 8Г, в том числе, с помощью низкочувствительного прибора, высокая оперативность. Недостатки -сложность достоверного определения в рамках принятой расчетной модели параметров потерь высокодобротных < 5-Ю-4) диэлектриков; верхняя граница рабочей полосы частот при исследовании а и ай соответствует критической частоте экранирующего квадратного волновода (для разработанной измерительной камеры £цг=3.95 ГГц).

Пятая глава посвящена разработке метода исследования листовых углепластиков [3], [5].

/пи/ * ////// |г а

Рис.11 Образцы углепластиков

1 (воздух)

Падающая . п.: 'Отраженная

волна 1 } волна

-» ——© О—— ->

III -» т 5 и • •

Н1 п] I Е^ ' Н1 X

2 (углепластик) 3 | Преломленная б0е2-1оа/ш, ——<Т) волна

П2

Рис.12 Нормальное падение плоской волны на границу раздела двух сред

Е1' =п1'Е£а11вхр(-1р1г) Н] =Е1,/г1, г1=120тс ом, Е1"=п1"ЕгеПехр(-1р12),

Н.] '=Е.{' /гл, Е2 =п2Ёге£гехр(-т2г),

*

гг =(ц0/(е0е2-1оа/и)

,0.5

1Г-3 мы. Ь—1 мм, (-0.5 мм

1 - (-1 ГГц.

2 - (-2 ГГц.

3 - 1-3 ГГц

1 1 г- , /„

ООО 0 01 0.02 0.03 0 04 0.05 1/0

(а)

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 1/0 (б)

Рис.13 Расчетные зависимости ог(1/0) (а) и |р(1/0)| (б) Табл.5 Выборка результатов измерений

Ъ

Углепластик w, мм Ь, мм г, мм , МГц; СЦ МГц; 03

|р| оГ |Р| от

КМУ-2 I | 2.97 1.25 0.51 1278.14; 24.448 385 3 .29, 41 .491

0.99Б0У7 [0.00066 0.99659010.00062

КМУ-2 _1_ 2.93 1.25 0.51 1282 .41; 26.562 386 3.77; 45.959

0.99824610.00078 0.996921 [0.00076

КМУ-3 | | 2.71 1.25 1.07 1273.74; 25.521 383 3.44; 43.776

0.997 9В2 [0.00059 0.9 9 6 4 37 [0.00057

КМ.У-3 _]_ 2.68 1.25 1.07 1271 .23; 27.504 381 6 .30; 47.167

0.9981 34|0.00069 0.99 671 4[0.00066

-1 3-

Образец углепластика в виде полоскового отрезка (рис.11) перед началом эксперимента размещается в измерительной камере (рис.8) на подложке из пористого пенопласта (ег=1.04). В результате образуется резонатор на основе квазивоэдушной НШШ.

По измеряемым частоте Г^ и добротности резонанса с учетом данных о геометрии образца и удельной проводимости материала экранной пластины в результате численного решения нелинейного уравнения определяется толщина скин-слоя углепластика Ос. Далее вычисляется

0Г=(2Э2ОО £ (1СЗС)2)"1, £ [ГГц]. (16)

Выражение связи величин оа и | р | следует из рассмотрения задачи о нормальном падении плоской волны на границу раздела 2-х сред

(рис.12): |р| = |Ёгегг/Ё£а11Н0а/(0а+(2тс £ 50оа)0-5), (17)

7

где оа=огоа Си, оа ^=5.9.10 См/м - абсолютная удельная проводимость меди. При выводе (17) учитывается, что аа/(2% е0£2> >> 1•

На рис.1 За,б представлены расчетные параметрические зависимости соответственно |р(1/0)| и ог(1/0). В табл.5 приведены некоторые результаты экспериментов (символы || и означают, что образец выполнен соответственно вдоль или поперек поверхностных линий, обусловленных волоконной структурой углепластика).

Получены оценки предельных значений относительных погрешностей метода: при 1 £ 3.95 ГГц |0|р| |<0.02%, |0оГ51 = |СоГ81 < 18» и

| о | р | | <0.025%, 10огз | = 10огз | <20% соответственно в автоматизированном и ручном режимах.

Достоинства метода - высокая оперативность, простота методики, малая трудоемкость изготовления образцов, возможность выявления анизотропных свойств углепластиков. Основной недостаток - указанные точностные показатели обеспечиваются на частотах <3.95 ГГц.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

В приложения вынесены: П1 - результаты аналитического вычисления определенных интегралов внутренней и внешней задач для коаксиального зонда, П2 - заявка на изобретение, ПЗ - акты о внедрении.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана новая методика неразрушающих исследований конструкционных диэлектриков с помощью коаксиального резонаторного зонда. Создана программа обработки экспериментальных данных, спроектированы и изготовлены 2 зонда, проведены тестовые эксперименты, получены

оценки погрешностей.

2. Предложена новая методика исследования листовых металлизированных и неметаллизированных диэлектриков с использованием резонаторов, выполненных на основе квазиСПЛП с применением тонкопленочных тест-плат. Разработана измерительная камера, предложена процедура калибровки, создана программа обработки опытных данных, проведены тестовые эксперименты, оценены погрешности метода.

3. Разработана новая методика исследования листовых металлизированных диэлектриков с использованием резонаторов, выполненных на основе НПЛП. Спроектирована и изготовлена измерительная камера, предложена процедура калибровки, создана программа обработки экспериментальных данных, выполнен ряд тестов, получены оценки погрешностей.

4. Предложена новая методика исследования листовых углепластиков с использованием образцов в виде резонансных отрезков полоскового проводника НПЛП на квазивоздушной пенопластовой подложке. Создана программа обработки опытных данных, проведены тестовые эксперименты, оценены инструментальные погрешности метода.

5. Рассмотрены вопросы автоматизации процесса измерений.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТБМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Богданов Н.С. Метод расчета входной проводимости коаксиального зонда для неразрушающих измерений параметров диэлектриков. //Радиотехника и электроника.- 1994,- Т.39.- А 6.- С.1032-1038.

2. Богданов Н.С. Оперативный метод исследования диэлектрических свойств изоляционных материалов. //Сб. науч. тр. "Информационные технологии искусственного интеллекта".- М.: ИФТП.-1994,- С.114-126.

3. Богданов Н.С., Сазонов Д.М. Оперативные методы оценки параметров диэлектрических и углепластических компонентов антенных систем на этапе проектирования. //III Всерос. н.-т. конф. "Фазированные антенные решетки и перспективные средства связи" (ФАР-94): Тез. докл.- Казань: 1994.- С. 101-102.

4. Богданов Н.С., Сазонов Д.М. Оперативные методы измерения параметров диэлектрических компонентов СВЧ-тракта. //ХХУ11 Междунар. конф. по теории и техн. антенн (ТТА-94): Тез. докл.- М.: 1994.-С.431-433.

5. Богданов Н.С., Сазонов Д.М., Фролов Н.Я. Техника оперативных измерений параметров диэлектриков и углепластиков в диапазоне СВЧ. //П Междунар. н.-т. конф. "Направления развития систем и средств радиосвязи" (Воронеж-май 95): Тез. докл.-Воронеж: 1995.- С. 163,164.

Тираж 100 Заказ №

Заказ

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13