автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Влияние диэлектрических свойств подстилающей среды на импеданс ультравысокочастотных линейных антенн

На правах рукописи

Круглой Илья Сергеевич

Влияние диэлектрических свойств подстилающей среды на импеданс ультравысокочастотных линейных антенн

Специальность 05.12.07 - «Антенны, СВЧ-устройства и их технологии»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

щи*

Томск - 2006

Работа выполнена на кафедре радиоэлектроники и защиты информации и кафедре конструирования и производства радиоаппаратуры Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР).

Научный руководитель - кандидат физико-математических наук

старший научный сотрудник Загоскин Владимир Викторович.

Научный консультант — доктор технических наук

профессор

Шостак Аркадий Степанович.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор

Гошин Геннадий Георгиевич,

кандидат технических наук Сержантов Алексей Михайлович.

Ведущая организация - Новосибирский государственный

технический университет.

Защита состоится 14 ноября 2006 года в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 212.268.01 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40, ауд. 230 гл. корпуса (тел.: (3822) 510-530).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.

Автореферат разослан 4 октября 2006 года.

Учёный секретарь диссертационного совета канд. техн. наук доцент

А, А, Кузьмин

Общая характеристика работы

Актуальность темы

По условиям эксплуатации антенны различных типов располагаются вблизи поверхности земли. Входной импеданс (далее - импеданс) таких антенн зависит от диэлектрических свойств грунта, над которым расположены антенны.

Практика проектирования и эксплуатации приземных антенн обусловила необходимость решения задач об определении импеданса антенн с учётом влияния диэлектрических свойств грунта.

Проблема исследования влияния подстилающей среды на импеданс антенн имеет научный интерес и с точки зрения метрологии. Известно, что диэлектрические параметры однородной среды можно определять по результатам измерения импеданса одиночной линейной антенны или системы из двух линейных антенн, расположенной над средой. Под однородной средой понимается среда с равномерным пространственным распределением диэлектрических параметров.

По мере развития радиотехники, освоения диапазона ультравысоких частот (300 МГц — 3 ГГц по ГОСТ 24375-80) возникла необходимость изучения влияния подстилающей среды на импеданс ультравысокочастотных антенн.

В реальных условиях грунт, как правило, характеризуется неравномерным пространственным распределением диэлектрических параметров, что осложняет описание его диэлектрических свойств. При решении задач, связанных с оценкой влияния диэлектрических свойств грунта на импеданс антенны, грунт моделируется горизонтально-слоистой средой. В рамках таких модельных представлений диэлектрические свойства грунта описываются количеством слоёв, их диэлектрическими параметрами и толщинами.

Расчёту импеданса линейных антенн в присутствии однородных и гори-зонтально'слоистых сред посвящены работы различных авторов, А. С. Князевым решена задача для антенны, расположенной над однородной средой параллельно поверхности среды*. Предполагалось, что волновое число воздуха много меньше волнового числа среды. Такое допущение позволило получить формулы для инженерных расчётов приземных антенн.

В работах Д. Са1е]з рассчитан импеданс линейных антенн, расположенных в одном из слоёв горизонтально-слоистой среды параллельно границам раздела слоёв**. Предложены выражения для собственного импеданса антенны и взаимного импеданса двух идентичных параллельных антенн.

Известна также теоретическая модель, позволяющая рассчитать импеданс системы из двух параллельных линейных антенн или одиночной линейной

* Князев А. С. Инженерный расчет сопротивлений линейных проводов с учетом воздействия реальной земли//Радиотехника,-I960.-T. 15.-№ 9. -С. 21-32

** 1, Galejs J, Driving point impedance of linear antennas in the presence of a stratified dielectric // IEEE Trans. Ant. and Propagat. - 1965. - Vol. AP-13. - N 5. - P. 725-737

2. Galejs J. Mutual impedance of linear antennas in the presence of a stratified dielectric // IEEE Trans. Ant. and Propagat. - 1966. - Vol. AP-14. - N 2. - P, 195-202

антенны, расположенной в одном из;слоев горизонтально-слоистой среды параллельно границам раздела слоёв*. Модель учитывает тот факт, что антенны могут иметь различные длины и могут быть смещены друг относительно друга в направлении каждой из трёх координатных осей. При условии, что длины антенн одинаковы и расстояние между антеннами равно нулю» взаимный импеданс антенн становится равным собственному импедансу одиночной антенны.

Вышеупомянутая модель не имеет экспериментального подтверждения для случая расположения одиночной линейной антенны над горизонтально-слоистой средой. В связи с этим экспериментальное исследование влияния диэлектрических свойств горизонтально-слоистой среды на импеданс линейной антенны является актуальным.

Цель работы

Цель диссертационной работы состоит в экспериментальной проверке известной теоретической модели, позволяющей рассчитать импеданс ультравысокочастотной линейной антенны, расположенной над горизонтально-слоистой средой параллельно границам раздела слоёв,

Задачи исследования

В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи,

1. Исследовать в лабораторных условиях зависимости импеданса ультравысокочастотной линейной антенны от следующих факторов;

- высоты расположения антенны над однородной средой,

- толщины первого (верхнего) слоя двухслойной среды,

- высоты расположения антенны над трёхслойной средой.

2. Исследовать в полевых условиях влияние пространственного распределения диэлектрических параметров грунта на импеданс ультравысокочастотной линейной антенны.

Вышеуказанные исследования необходимо провести для линейных антенн, настроенных на различные частоты.

3. На основе сравнения результатов экспериментальных исследований с результатами теоретических расчётов сделать вывод о возможности применения известной теоретической модели для расчёта импеданса ультравысокочастотной линейной антенны, расположенной над горизонтально-слоистой средой.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов работы

-- При решении сформулированных в работе задач использовались известные положения радиофизики, теория антенн, рефлектометрический метод измерения импеданса линейной антенны. Обработка результатов теоретических расчётов и экспериментальных исследований производилась на ПЭВМ с применением методов графического представления данных.

* .Дума А. Р., Дорохов В. И., Шостак А. С. Радиоволновой метод контроля параметров диэлектрических материалов на основе измерения импеданса линейных антенн // Дефектоскопия. - 1986.-X« I.-С. 54-61

Достоверность основных результатов работы подтверждена их соответствием результатам, полученным другими авторами для частных случаев, корректностью постановки и решения задач диссертационного исследования.

Научная новизна работы

Научная новизна работы определяется следующими её результатами:

1. Впервые экспериментально обоснована возможность применения известной теоретической модели для расчёта импеданса ультравысокочастотной линейной антенны, расположенной над горизонтально-слоистой средой параллельно границам раздела слоёв.

2. Впервые разработаны неразрушающие методы измерения толщины и диэлектрической проницаемости верхнего слоя двухслойной среды с использованием ультравысокочастотной линейной антенны. Толщина или диэлектрическая проницаемость слоя определяется по значению высоты расположения антенны над средой, соответствующему экстремальному значению модуля импеданса антенны.

3. Впервые сформулированы условия, касающиеся результатов измерения импеданса полуволновой линейной антенны при изменении высоты расположения антенны над средой, достаточные для вывода о том, что среда неоднородна.

Практическая ценность работы

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Известная теоретическая модель, выдержавшая экспериментальную проверку в рамках диссертационного исследования, рекомендуется к использованию при проектировании ультравысокочастотных линейных антенн, предназначенных для эксплуатации вблизи поверхности земли.

2. Разработанные неразрушающие методы измерения толщины и диэлектрической проницаемости верхнего слоя двухслойной среды с использованием ультравысокочастотной линейной антенны рекомендуется применять при решении геологических задач, а также в промышленности. Для определения характеристик слоя по предложенным методам необязательно проводить измерения модуля импеданса антенны с помощью измерителя комплексных коэффициентов передачи. Можно воспользоваться результатами относительных измерений, выполняемых с применением более простых устройств.

3. Сформулированные в работе условия, касающиеся результатов измерения импеданса полуволновой линейной антенны, расположенной над средой, предлагается использовать при разработке неразрушающего метода контроля качества приготовления (смешения) многокомпонентных смесей в промышленности.

Реализация результатов работы

Результаты диссертационного исследования использованы при проведении международных научно-исследовательских работ на кафедре радиоэлектроники и защиты информации ТУ СУР, в учебном процессе на кафедре конструирования и производства радиоаппаратуры ТУСУР, а также при разработке антенн в научно-производственной фирме «МИКРАН» (Томск).

Апробация работы

Результаты работы докладывались на Десятой Международной конференции по подповерхностной радиолокации "СРЯ 2004" (Дельфт, Нидерланды, 2004 г.), Первой Европейской конференции по радиолокации *4ЕиЯАГ> 2004" (Амстердам, Нидерланды, 2004 г.) и Первой Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2006 г.).

Публикации

По материалам диссертации подготовлено 12 публикаций. Среди них статья в ведущем рецензируемом научном журнале, статья в рецензируемом электронном научном журнале, тезисы доклада и 7 докладов международных научных конференций (в том числе доклад, опубликованный в приложении к ведущему рецензируемому научному журналу), а также 2 отчёта о международных научно-исследовательских работах.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Возможность применения известной теоретической модели для расчёта импеданса ультравысокочастоткой линейной антенны, расположенной над горизонтально-слоистой средой параллельно границам раздела слоёв, подтверждается соответствием результатов теоретических расчётов экспериментальным данным для частных случаев.

2. По значению высоты расположения ультравысокочастотной линейной антенны над двухслойной средой, соответствующему экстремальному значению модуля импеданса антенны, можно определять толщину или диэлектрическую проницаемость верхнего слоя среды. В случае, когда известны диэлектрические параметры слоёв среды, можно определить толщину верхнего слоя. В случае, когда известны толщина и фактор потерь верхнего слоя, а также диэлектрические параметры нижнего слоя, можно определить диэлектрическую проницаемость верхнего слоя.

3. При условии, что модуль (или действительная, или мнимая часть) импеданса полуволновой линейной антенны принимает максимальное значение в случае расположения антенны над средой на высоте, существенно отличающейся от 0,28 (или 0,33, или 0,19) длины волны в свободном пространстве, среда не является однородной.

Личный вклад автора

Личный вклад автора состоит в следующем:

- определены цель работы и задачи исследования;

- обоснован выбор оптимальной высоты расположения полуволновой линейной антенны над однородной средой для случаев измерения модуля, действительной и мнимой частей импеданса антенны;

- сформулированы условия, касающиеся результатов измерения импеданса полуволновой линейной антенны, расположенной над средой, достаточные для вывода о том, что среда неоднородна.

Совместно с Шосгаком А. С. автором предложены неразрушающие методы измерения толщины и диэлектрической проницаемости верхнего слоя двухслойной среды с использованием ультравысокочастотной линейной антенны.

Автор принимал участие в экспериментальных исследованиях, обработке и анализе экспериментальных данных, обсуждении и систематизации результатов исследований, формировании выводов.

Структура н объём диссертации

Диссертация содержит 110 страниц, 51 рисунок, 3 таблицы и приложение. Библиографический список включает 65 источников. Основное содержание диссертации изложено в 4 главах.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы работы, определены цель и задачи диссертационного исследования, показаны научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе рассмотрены состав и свойства грунта, зависимости диэлектрических параметров грунта от внешних и внутренних факторов, математическое описание этих зависимостей, а также методы исследования диэлектрических свойств грунта в лабораторных и полевых условиях.

По материалам первой главы сделаны следующие выводы:

1. Диэлектрические параметры грунта зависят от частоты электромагнитного поля, температуры, влажности и других факторов. Влажность фунта в большей степени по сравнению с остальными факторами определяет его диэлектрические свойства.

2. Результаты исследований зависимостей диэлектрических параметров грунта от внешних и внутренних факторов, приведённые в работах различных авторов, не соответствуют друг другу. Математическое описание этих зависимостей разработано не в полной мере.

3. Методам исследования диэлектрических свойств грунта в полевых условиях посвящено меньшее количество работ по сравнению с лабораторными методами измерения диэлектрических параметров грунта.

4. Актуальными представляются следующие задачи:

а) разработка неразрушающих методов измерения диэлектрических параметров грунта;

б) исследование влияния диэлектрических свойств грунта на импеданс линейной антенны, расположенной вблизи поверхности фунта.

Вторая глава посвящена известной теоретической модели, позволяющей рассчитать импеданс линейной антенны, расположенной над горизонтально-слоистой средой параллельно фаницам раздела слоёв.

Рассмотрена задача об определении взаимного импеданса двух линейных антенн, расположенных в одном из слоёв горизонтально-слоистой среды параллельно друг другу и границам раздела слоёв. В общем случае эта задача формулируется следующим образом.

Имеется горизонтально-слоистая среда с произвольным числом слоёв п (см. рисунок 1). В опое с волновым числом к\ расположены две линейные антенны А1 и А2. Нижележащие слои характеризуются волновыми числами к2, ¿з,... вышележащие слон — волновыми числами к2\ АУ,.,. £Д... Толщина

слоя, в котором расположены антенны, равна <И\. Толщины нижележащих слоёв определяются значениями Т2, 7э,... 7},..., толщины вышележащих слоёв - значениями ¿2» ¿з,..- Начало координат находится на границе между слоями с волновыми числами к\ и к2. Координатная ось 2 перпендикулярна поверхностям раздела слоёв. Антенны А1 и А2 параллельны друг другу и плоскости ХОУ. Антенна А1 расположена в плоскости Х02 симметрично относительно координатной оси 2. Антенна А2 смещена относительно начала координат в направлении оси X на величину сив направлении оси У на величину у. Антенна А/ находится над границей слоёв с волновыми числами и к2 на высоте г, антенна А2 - на высоте /?. Длины антенн А1 и А2 равны 21 и 21\ соответственно. Требуется определить взаимный импеданс антенн А1 и А2.

di кг

Рисунок 1 — Схема к задаче об определении взаимного импеданса двух линейных антенн, расположенных в одном из слоёв горизонтально-слоистой среды

Данная задача решается методом наведённых ЭДС*. Предполагается, что распределения токов вдоль антенн А1 и А2 синусоидальные. Такое допущение правомерно для тонких антенн".

* Дума А. Р., Дорохов В. И,, Шостак А. С. Радиоволновой метод контроля параметров диэлектрических материалов на основе измерения импеданса линейных антенн Н Дефектоскопия. - 1986. - № 1. - С. 54-61

" I. Starkey В. J., Fitch Б. Mutual impedance and self-impedance оГ coupled parallel aerials // P1EE. - 1950. - Vol. 97. - N 47. — P. 129-137

2. Galejs J. Driving point impedance of linear antennas in the presence of a stratified dielectric // IEEE Trans. Ant. and Propagat. - 1965.-Vol. AP-13. -N 5. - P. 725-737

Взаимный импеданс антенн Л7 и А2 определяется следующим образом:

Z12=Z0+AZ, (О

где Z12 — взаимный импеданс антенн Л1 и А2 при наличии границ раздела слоев, Ом,

Z0 — взаимный импеданс антенн Al и А2 в отсутствие границ раздела слоев (в свободном пространстве), Ом,

AZ - вторичный взаимный импеданс антенн Al и А2, обусловленный наличием границ раздела слоёв, Ом.

Значения Zo, рассчитанные в зависимости от с и у, приведены в широко известной научной литературе. Формула для расчёта AZ при условии, что длины антенн равны половине длины волны в свободном пространстве (2/ = 2А = = \/2), упрощается и приводится к следующему виду*:

я

дz = i^l^l Jcos(ty cos 0)cos(tc sin в)[(Л(/)- 5(0)X

Я 0 0

cos(í/. sin ©)[cos(//sin ©)-cos A/L . . , П J, ,,JQ x {kz _t2 sin2Q)2- ]exP[~(- + *)>/' - A,2 ]dide, (2)

где

AO = *,[^-/,|(/) + (^-i)/,i(0](*,2 -*1 sin2 в), BU) = l)(/x||(0 + /aA(i)) .

Вид каждой из функций /хц(0 и Л±(0 определяется характеристиками горизонтально-слоистой среды. Эти функции находятся из решений граничных задач для элементарных горизонтального и вертикального источников, расположенных в слое с волновым числом Ai, или по рекуррентным соотношениям*.

При I = с = 0, у = 0, z = h формула (2) позволяет рассчитать значение импеданса, внесённого в одиночную антенну за счёт наличия границ раздела слоёв.

При с —* оо или у —* со вторичный взаимный импеданс двух антенн, расположенных в одном из слоёв горизонтально-слоистой среды, стремится к нулю (AZ—► 0).

Представлены результаты следующих расчётов, выполненных с использованием формул (2) и (1):

а) расчёта импеданса полуволновой линейной антенны, расположенной над однородной средой, в зависимости от отношения высоты расположения антенны над средой к длине волны;

* Дума А. Р., Дорохов В. И., Шостак А. С. Радиоволновой метод контроля параметров диэлектрических материалов на основе измерения импеданса линейных антенн // Дефектоскопия. - 1986. - № 1. - С. 54-61

б) расчёта импеданса полуволновой линейной антенны, расположенной над двухслойной средой, в зависимости от высоты расположения антенны над средой и отношения толщины первого слоя среды к длине волны;

в) расчёта импеданса полуволновой линейной антенны, расположенной над трёхслойной средой, в зависимости от высоты расположения антенны над средой;

г) расчёта импеданса полуволновой линейной антенны, расположенной над грунтом с вертикальными профильными изменениями диэлектрических параметров, в зависимости от частоты настройки антенны.

Анализ поведения модуля импеданса линейной антенны в зависимости от высоты расположения антенны над двухслойной средой при различных толщинах и значениях диэлектрической проницаемости первого слоя среды позволяет доказать второе из научных положений, выносимых на защиту.

Описаны неразрушающие методы измерения толщины и диэлектрической проницаемости верхнего слоя двухслойной среды с использованием ультравысокочастотной линейной антенны,

В случае, когда известны диэлектрические параметры слоёв двухслойной среды, толщина первого слоя определяется следующим образом. Проводятся измерения модуля импеданса линейной антенны при изменении высоты расположения антенны над средой. Далее по значению высоты расположения антенны, соответствующему экстремальному значению модуля импеданса антенны, с помощью градуировочной кривой определяется толщина первого слоя.

Градуировочная кривая, представленная на рисунке 2, позволяет по значению высоты расположения линейной антенны, соответствующему максимальному значению модуля импеданса антенны, определить толщину слоя льда на поверхности воды. Эта кривая построена для случая, когда значения комплексной диэлектрической проницаемости льда и воды равны соответственно 3 - 0,ОН и 81 - 0,01ч, антенна настроена на частоту 300 МГц. В качестве максимального взято значение модуля импеданса в первом максимуме зависимости модуля импеданса антенны от высоты расположения антенны над средой.

В случае, когда известны толщина и фактор потерь первого слоя двухслойной среды, а также диэлектрические параметры второго (нижнего) слоя, диэлектрическая проницаемость первого слоя определяется следующим образом. Проводятся измерения модуля импеданса линейной антенны при изменении высоты расположения антенны над средой. Далее по значению высоты расположения антенны, соответствующему экстремальному значению модуля импеданса антенны, с помощью градуировочной кривой определяется диэлектрическая проницаемость первого слоя.

Градуировочная кривая, представленная на рисунке 3, позволяет по значению высоты расположения линейной антенны, соответствующему минимальному значению модуля импеданса антенны, определить диэлектрическую проницаемость слоя диэлектрика на поверхности проводника. Эта кривая построена для случая, когда толщина диэлектрика составляет 0,1 м, фактор потерь диэлектрика равен 0,01 и антенна настроена на частоту 300 МГц. В качестве

минимального взято значение модуля импеданса в первом минимуме зависимости модуля импеданса антенны от высоты расположения антенны над средой.

Рисунок 2 - Зависимость значения высоты расположения линейной антенны над двухслойной средой, соответствующего максимальному значению модуля импеданса антенны, от толщины первого слоя

Рисунок 3 — Зависимость значения высоты расположения линейной антенны над двухслойной средой, соответствующего минимальному значению модуля импеданса антенны, от диэлектрической проницаемости первого слоя

Приведено обоснование выбора оптимальной высоты расположения полуволновой линейной антенны над однородной средой {hop,). При измерении модуля импеданса антенны hopt ы 0,28-Х, при измерении действительной части импеданса антенны hopf = 0,33-Х, при измерении мнимой части импеданса антенны Ь^ ~ 0,19-Х.

В случае однородной среды при расположении полуволновой линейной антенны над средой на высоте, равной или мало отличающейся от 0,28-Х (или 0,33-X, или 0,19-Х), наблюдается максимальное значение модуля (или действительной, или мнимой части) импеданса антенны. В случае горизонтально-слоистой среды максимальное значение модуля (или действительной, или мнимой части) импеданса полуволновой линейной антенны может наблюдаться при расположении антенны над средой на высоте, существенно отличающейся от 0,28-Х (или 0,33-Х, или 0,19-Х). Данные факты доказывают третье из научных положений, выносимых на защиту.

В третьей главе приведено описание экспериментальной установки для исследования влияния диэлектрических свойств грунта на импеданс линейной антенны*. Рассмотрены конструктивные особенности антенных датчиков для полевых измерений и антенн для лабораторных измерений.

* Introduction to UWB measurement techniques of soil permittivity / Delft University of Technology, Department of Electrical Engineering, International research center for telecommunications-transmission and radar; V. N. Iljushenko, L, P. Ligthart, V. V. Zagoskin, S. P. Lukjanov, A. S. Shostak, A. R. Duma, V. I. Kamychev. - Report: IRCTR-S-039-01. - The Netherlands, Delft, 2001.-74 p.

„.Структурная схема экспериментальной .установки приведена на рисунке 4. Электрические связи между элементами установки показаны сплошными линиями, механические связи — пунктирными линиями.

Рисунок 4 - Структурная схема экспериментальной установки

При габаритных размерах 2540x1510 мм экспериментальная установка позволяет за один цикл сканирования произвести измерения импеданса линейной антенны в заданных точках над участком фунта площадью 1,53 м2. Электропитание экспериментальной установки осуществляется от аккумуляторной батареи напряжением 12 В.

Рама экспериментальной установки (см. рисунок 5) изготовлена из текстолита. В полевых условиях рама располагается над грунтом на деревянных опорах. Конструкция крепления опор к раме позволяет зафиксировать раму в горизонтальном положении над грунтом. В лабораторных условиях вместо опор используется каркас прямоугольной формы, собранный из деревянного бруса (см. рисунок 6). Каркас укладывается по периметру углубления с размерами 2500x1500x800 мм, сделанного в полу одного из помещений лаборатории, расположенной на цокольном этаже здания.

. Возможность программного управления экспериментальной установкой реализована благодаря применению портативного компьютера (ноутбука). При сканировании в автоматическом режиме антенный датчик из стартовой точки, соответствующей началу координат (см. рисунок 5), перемещается над грунтом по зигзагообразной траектории. Точки над поверхностью грунта, в которых производится измерение импеданса линейной антенны, называются точками сканирования.-Эти точки задаются программно значением шага сканирования по оси Хи значением шага сканирования по оси У, В каждой точке сканирова-

ния измерение импеданса антенны выполняется 30 раз. Усреднённый по 30 измерениям результат записывается в память компьютера.

1 - рама; 2 - направляющие для перемещения вдоль координатной оси X; 3 - направляющие для перемещения вдоль координатной оси У; 4- шаговые двигатели; 5 - блоки управления шаговыми двигателями; 6 - концевые выключатели; 7 - контроллер ввода-вывода, аналого-цифровой преобразователь; 8 - продольная каретка; 9 - поперечная каретка; 10 - антенный датчик; 11 - штанга антенного датчика Рисунок 5 - Конструкция экспериментальной установки

1 — углубление в полу, заполненное речным песком; 2 — каркас из бруса; 3 - рама экспериментальной установки; 4 - продольная каретка; 5 - поперечная каретка; 6 - цанговый зажим; 7 - антенна; 8 - коаксиальный кабель Рисунок 6 - Конструкция лабораторного стенда

В ходе сканирования экспериментальные данные выводятся на экран компьютера. После окончания сканирования эти данные могут быть сохранены в файл для последующей обработки.

Для измерения модуля импеданса линейных антенн, настроенных на частоты 450, 600, 800, 1200, 1500 и 2000 МГц, в полевых условиях применяются антенные датчики.

В состав антенного датчика (см. рисунок 7) входят генератор синусоидальных сигналов, усилитель мощности, симметрирующее устройство, полу-волновый вибратор, детектор сигналов и масштабирующий усилитель постоянного тока.

3 - симметрирующее устройство; 4 - плечи вибратора; 5 - детектор сигналов;

6 - масштабирующий усилитель постоянного тока; 7 - сигнальный провод;

8 - штанга; 9 - основание из пенопласта; 10 - эпоксидный компаунд

Рисунок 7 - Конструкция антенного датчика для полевых измерений

Для измерения действительной и мнимой частей импеданса линейных антенн в лабораторных условиях применяются измерители комплексных коэффициентов передачи: Р4-11 — при частотах настройки антенн 450, 600, 800 и 1200 МГц, Р4-23 - при частотах настройки антенн 1500 и 2000 МГц.

Антенна для лабораторных измерений представляет собой полуволновый вибратор с симметрирующим устройством.

Описаны методики настройки и калибровки антенного датчика, настройки антенны и калибровки измерителя комплексных коэффициентов передачи.

По результатам контрольных измерений в заключительной части главы сделан вывод о пригодности антенных датчиков и антенн к использованию.

В четвёртой главе изложены результаты экспериментальных исследований влияния диэлектрических свойств подстилающей среды на импеданс линейной антенны.

Исследование зависимости модуля импеданса линейной антенны от высоты расположения антенны над однородной средой проводилось в лабораторных условиях (см. рисунок 6).

В процессе исследования антенна располагалась над предварительно выровненной горизонтальной поверхностью песчаного грунта. По измеренным значениям действительной и мнимой частей импеданса линейной антенны рассчитывались значения модуля импеданса антенны.

На рисунках 8 и 9 представлены теоретические и экспериментальные зависимости модуля импеданса линейных антенн, настроенных на частоты 435 и 1120 МГц, от высоты расположения над песчаным грунтом. Сплошные линии соответствуют теоретическим зависимостям. Значками «А» отмечены экспериментальные данные. Графики теоретических зависимостей построены' по результатам расчётов, выполненных с использованием формул (2) и (1) при условии, что комплексная диэлектрическая проницаемость грунта равна 2,6 - 0,1*1. Измерениями установлено, что значения диэлектрической проницаемости грунта изменялись в пределах от 2,5 до 2,6» а значения тангенса угла диэлектрических потерь — в пределах от 0,04 до 0,06,

>

\х\, ом \г\, ом

Рисунок 8 - Зависимость модуля

импеданса линейной антенны, настроенной на частоту 435 МГц, от высоты расположения над однородной средой

Рисунок 9 - Зависимость модуля

импеданса линейной антенны, настроенной на частоту 1120 МГц, от высоты расположения над однородной средой

Относительная погрешность определения модуля импеданса линейной антенны не превысила 4% как на частоте 435 МГц, так и на частоте 1120 МГц.

Исследование зависимости модуля импеданса линейной антенны, расположенной над двухслойной средой, от толщины первого слоя среды проводилось в лабораторных условиях (см. рисунок 6).

На предварительно выровненную горизонтальную поверхность песчаного грунта укладывался лист металла. На лист металла устанавливалась деревянная рамка с размерами 750x900x10 мм, которая заполнялась песчаным грунтом. Поверхность грунта выравнивалась, в результате чего получался плоскопараллельный слой толщиной 10 мм.

В процессе исследования антенна располагалась над центром полученной слоистой структуры. Толщина слоя песчаного грунта изменялась с шагом 10 мм за счёт применения рамок высотой 10, 20 и 30 мм. Высота расположения антенны над средой оставалась постоянной, равной оптимальной высоте расположения линейной антенны над однородной средой для случая измерения модуля импеданса антенны. По измеренным значениям действительной и мнимой частей импеданса линейной антенны рассчитывались значения модуля импеданса антенны.

На рисунках 10 и 11 представлены теоретические и экспериментальные зависимости модуля импеданса линейных антенн, настроенных на частоты 435 и 1120 МГц, от толщины слоя песчаного грунта на поверхности металла. Сплошные линии соответствуют теоретическим зависимостям. Значками «Д» отмечены экспериментальные данные. Графики теоретических зависимостей построены по результатам расчётов, выполненных с использованием формул (2) и (1) при условии, что комплексная диэлектрическая проницаемость песчаного грунта равна 2,6 - 0,1-1. Измерениями установлено, что значения диэлектрической проницаемости песчаного грунта изменялись в пределах от 2,5 до 2,6, а значения тангенса угла диэлектрических потерь - в пределах от 0,04 до 0,06.

Рисунок 10 —Зависимость модуля

импеданса линейной антенны, настроенной на частоту 435 МГц, от толщины первого слоя двухслойной среды

\Х\, Ом

100 90 8070 60 50-

^ т

„д.. —

1 '' \

1 | Г ,

..... - +

8 10 12 14 Т2, СМ

Рисунок 11 - Зависимость модуля

импеданса линейной антенны, настроенной на частоту 1120 МГц, от толщины первого слоя двухслойной среды

Относительная погрешность определения модуля импеданса линейной антенны не превысила 5% как на частоте 435 МГц, так и на частоте 1120 МГц.

Исследование зависимости импеданса линейной антенны от высоты расположения антенны над трёхслойной средой проводилось в лабораторных условиях (см. рисунок б).

На предварительно выровненную горизонтальную поверхность песчаного грунта укладывался лист металла, а на лист металла - лист пенопласта толщиной 100 мм. На лист пенопласта устанавливались одна на другую две деревянные рамки с размерами 750x900x20 и 750x900x30 мм. Рамки заполнялись песчаным грунтом. Поверхность грунта выравнивалась, в результате чего получался плоскопараллельный слой толщиной 50 мм.

Исследование проходило в два этапа. Сформированные на каждом этапе трёхслойные среды (см. таблицу 1), которым условно присвоены номера 1 и 2, отличались друг от друга толщинами слоёв песчаного грунта и пенопласта. В ходе каждого этапа исследования антенна располагалась над центром полученной слоистой структуры. Высота расположения антенны изменялась с шагом 10 мм, толщины слоёв песчаного грунта и пенопласта оставались постоянными.

Таблица 1 - Характеристики трёхслойных сред

№ слоя (') Вещество Значение комплексной диэлектрической проницаемости слоя (е,*) при расчёте Толщина слоя (Г(), мм

Среда 1 Среда 2

2 Песок 2,7-0,ОН 50 100

3 Пенопласт 1,05 - 0,001*1 100 50

На втором этапе исследования использовался лист пенопласта толщиной 50 мм. Толщина слоя песчаного грунта была увеличена до 100 мм за счёт применения двух деревянных рамок, имевших те же размеры, что и рамки, использовавшиеся на первом этапе.

На рисунках 12 и 13 представлены зависимости действительной и мнимой частей импеданса линейных антенн, настроенных на частоты 800 и 1200 МГц, от высоты расположения над средой 1 (см. таблицу 1). Графики теоретических зависимостей действительной части импеданса антенн обозначены цифрой 1. Графики теоретических зависимостей мнимой части импеданса антенн обозначены цифрой 2. Экспериментальные значения действительной и мнимой частей импеданса антенн отмечены значками «о» и «□» соответственно. Графики теоретических зависимостей построены по результатам расчётов, выполненных с использованием формул (2) и (1).

Относительная погрешность измерения действительной части импеданса линейной антенны не превысила величину 0/?е(2Г) (см. таблицу 2), Относительная погрешность измерения мнимой части импеданса линейной антенны не превысила величину В1т(£) (см. таблицу 2).

г, Ом

10 12 14 1$ 18 Ь, СМ

Рисунок 12 - Зависимость импеданса линейной антенны, настроенной на частоту 800 МГц, от высоты расположения над трёхслойной средой (среда 1)

2 4 6 8 10 12 14 16 18 И, СМ

Рисунок 13 - Зависимость импеданса линейной антенны, настроенной на частоту 1200 МГц, от высоты расположения над трёхслойной средой (среда 1)

Таблица 2 — Относительные погрешности измерения действительной и мнимой частей импеданса линейной антенны

Среда ВЕе(2), % ©/т(2), %

800 МГц

1 6 8

2 4 10

1200 МГц

1 4 | 8

Исследование влияния пространственного распределения диэлектрических параметров грунта на модуль импеданса линейной антенны проводилось в полевых условиях. На относительно ровном участке поверхности дерново-подзолистой почвы были разбиты экспериментальные площадки прямоугольной формы. Каждая площадка имела размеры 160x80 см. В ходе исследования экспериментальная установка (см. рисунок 5) последовательно переносилась с одной площадки на другую.

Перед началом сканирования антенный датчик располагался над площадкой в стартовой точке на высоте, равной оптимальной высоте расположения линейной антенны над однородной средой.

При сканировании высота расположения линейной антенны над поверхностью грунта изменялась за счёт неровностей поверхности грунта. Для учёта отклонений высоты расположения антенны над поверхностью грунта огг оптимальной высоты был снят геометрический профиль поверхности грунта.

Зависимость высоты расположения линейной антенны, настроенной на частоту 1500 МГц, над поверхностью грунта от координат х и у представлена на рисунке 14. Координаты х и у произвольной точки поверхности грунта соответствуют перемещениям и Ц антенного датчика из стартовой точки вдоль ко-

ординатных осей X и У в данную точку. Перемещения и Ц измеряются в сантиметрах.

На рисунке 14 выделены восемь областей согласно установленным пороговым значениям высоты расположения линейной антенны над поверхностью грунта. Использованы семь пороговых значений высоты в миллиметрах: 12; 17; 22; 27; 32; 37; 42. Пороговому значению 12 мм соответствует область значений высоты, меньших 12 мм. Каждому из пороговых значений от 17 до 42 мм соответствует область значений высоты, принадлежащих интервалу от предыдущего до данного порогового значения. Пороговому значению 42 мм соответствует также область значений высоты, больших 42 мм. Значения высоты на границе между областями равны соответствующему пороговому значению.

О 20 40 60 АО 100 120 140 160 ™ вЫШв

Ц,, см

Рисунок 14 - Зависимость высоты расположения линейной антенны, настроенной на частоту 1500 МГц, над поверхностью грунта от координат х и у

По завершении сканирования площадки был сформирован массив значений модуля импеданса линейной антенны. Полученный массив был пронормирован относительно максимального значения модуля импеданса антенны, измеренного при расположении антенны над листом металла.

Зависимость модуля импеданса линейной антенны, настроенной на частоту 1500 МГц, от координат дг и у представлена на рисунке 15. Согласно установленным пороговым значениям модуля импеданса антенны на данном рисунке выделены три области. Использованы восемь пороговых значений: 0,7; 0,75; 0,8; 0,85; 0,9; 0,95; 1; 1,05. При этом на двумерном изображении зависимости модуля импеданса антенны от координат дг и у может быть выделено до девяти областей. Пороговому значению 0,7 соответствует область нормированных значений модуля импеданса, меньших 0,7. Каждому из пороговых значений от 0,75 до 1,05 соответствует область нормированных значений модуля импеданса, принадлежащих интервалу от предыдущего до данного порогового значения. Пороговому значению 1,05 соответствует также область нормированных

значений модуля импеданса, больших 1,05. Нормированные значения модуля импеданса на границе между областями равны соответствующему пороговому значению.

5 40

Ц,.ем

Рисунок 15 — Зависимость модуля импеданса линейной антенны, настроенной на частоту 1500 МГц, от координат дс и у

Для точек сканирования, в которых высота расположения линейной антенны над поверхностью грунта отличалась от оптимальной высоты не более чем на 1 мм, было определено среднеарифметическое нормированное значение модуля импеданса антенны.

Для линейной антенны, настроенной на частоту 600 МГц, среднеарифметическое нормированное значение модуля импеданса составило 0,936. Для линейной антенны, настроенной на частоту 1500 МГц, среднеарифметическое нормированное значение модуля импеданса составило 0,847.

По завершении сканирования был произведён отбор образцов грунта в различных местах с глубин от 1 до 11 см. По результатам измерения диэлектрических параметров образцов, проводившегося в лабораторных условиях, были построены усреднённые вертикальные профили диэлектрических параметров грунта. С использованием формул (2) и (1) был рассчитан модуль импеданса линейной антенны для случая расположения антенны над грунтом на высоте, равной оптимальной высоте расположения антенны над однородной средой. Полученное значение модуля импеданса антенны было пронормировано относительно максимального значения модуля импеданса антенны, рассчитанного для случая расположения антенны над листом металла.

Нормированное значение модуля импеданса линейной антенны, настроенной на частоту 600 МГц, составило 0,799. Нормированное значение модуля импеданса линейной антенны, настроенной на частоту 1500 МГц, составило 0,794.

По результатам проведённых исследований сделаны следующие выводы:

1. Исследование зависимости модуля импеданса линейной антенны от высоты расположения антенны над однородной средой показало следующее. Отклонения теоретических значений модуля импеданса от экспериментальных значений*не превысили 6% как на частоте 435 МГц, так и на частоте 1120 МГц (см. рисунки 8 и 9).

2. Исследование зависимости модуля импеданса линейной антенны, расположенной над двухслойной средой, от толщины первого слоя среды показало следующее. Отклонения теоретических значений модуля импеданса от экспериментальных значений не превысили 4% на частоте 435 МГц (см. рисунок 10) и 5% на частоте 1120 МГц (см. рисунок 11).

3. Исследование зависимостей действительной и мнимой частей импеданса линейной антенны от высоты расположения антенны над трёхслойной средой показало следующее. Отклонения теоретических значений действительной части импеданса от экспериментальных значений не превысили величину Д/?е(2) (см. таблицу 3). Отклонения теоретических значений мнимой части импеданса от экспериментальных значений не превысили величину Д 1т{£) (см. таблицу 3).

Таблица 3 - Отклонения теоретических значений действительной и мнимой

Среда Д/?е(2), % Д/т(2), %

800 МГц

1 11 24

2 15 26

1200 МГц

1 17 18

При достаточно больших величинах Ди Д1т{2) (см. таблицу 3) имеет место совпадение полученных теоретических и экспериментальных зависимостей на качественном уровне (см. рисунки 12 и 13).

4. Исследованные зависимости имеют осциллирующий характер (см. рисунки 8-13). Период изменения модуля, действительной или мнимой части импеданса линейной антенны уменьшается при увеличении частоты настройки антенны.

5, Исследование влияния пространственного распределения диэлектрических параметров грунта на модуль импеданса линейной антенны показало следующее. Отклонение теоретического значения модуля импеданса от усреднённого экспериментального значения не превысило 15% на частоте 600 МГц и 7% на частоте 1500 МГц,

Результаты теоретических расчётов соответствуют полученным экспериментальным данным, что позволяет сформулировать первое из научных положений, выносимых на защиту.

В заключении изложены основные результаты диссертационной работы.

В Приложении А приведены акты использования и внедрения результатов диссертационного исследования.

Основные результаты диссертационной работы

1. Экспериментально обоснована известная теоретическая модель, позво-. ляющая рассчитать импеданс линейной антенны, расположенной над горизонтально-слоистой средой параллельно границам раздела слоёв. Данная модель рекомендуется к использованию при проектировании ультравысокочастотных линейных антенн, предназначенных для эксплуатации вблизи поверхности земли.

2. Разработаны неразрушающие методы измерения толщины и диэлектрической проницаемости верхнего слоя двухслойной среды с использованием ультравысокочастотной линейной антенны. Толщина или диэлектрическая проницаемость слоя определяется по значению высоты расположения антенны над средой, соответствующему экстремальному значению модуля импеданса антенны.

Предложенные методы рекомендуется применять при решении геологических задач, а также в промышленности. Для определения характеристик слоя по этим методам необязательно проводить измерения модуля импеданса антенны с помощью измерителя комплексных коэффициентов передачи. Можно воспользоваться результатами относительных измерений, выполняемых с применением более простых устройств.

3. Сформулированы условия, касающиеся результатов измерения импеданса полуволновой линейной антенны при изменении высоты расположения антенны над средой, достаточные для вывода о том, что среда неоднородна. Эти условия могут быть использованы при разработке неразрушающего метода контроля качества приготовления (смешения) многокомпонентных смесей в пром ышленности.

Результаты диссертационного исследования изложены в следующих работах:

1. Круглое И. С., Бацула А. П., Шостак А. С., Ильюшенко В. Н., Загоскин В. В. Исследование влияния неоднородных диэлектрических свойств почвогрунтов на приведённый импеданс вибраторных антенн // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. Девятой Междунар, науч,-техн. конф. студентов и аспирантов, 4-5 марта 2003 г. В 3 т. - М.: Изд-во МЭИ, 2003. - Т. 1. -С. 81-82.

2. Proof of principle on the use of dipole antenna measurements techniques for experimental determination of soil characteristics and the development of a statistical electrophysical model of soil / Delft University of Technology, Department of Electrical Engineering, International research center for telecommunications-transmission and radar; V. N. Iljushenko, L. P. Ligthart, V. V. Zagoskin, A. S. Shostak, V. I. Kamychev, A. P. Batsula, В. I. Avdochenko, N. A. Antonyk, I. S. Kruglov, — Report: IRCTR-S-030-03. - The Netherlands, Delft, 2003. - 35 p.

3. Proof of principle on the use of dipole antenna measurements techniques for experimental determination of soil characteristics and the development of a statistical electrophysical model of soil / Delft University of Technology, Department of Elec-

trical Engineering, International research center for telecommunications-transmission and radar; V. N. IIjushenko, L. P. Ligthart, V. V. Zagoskin, A. S. Shostak, V. L Karnychev, A. P. Batsula, В. I. Avdochenko, N. A. Antonyk, I. S. Kruglov. - Report: IRCTR-S-013-04. - The Netherlands, Delft, 2004. - 20 p.

4. Загоскин В. В., Шостак А. С., Авдоченко Б. И., Бацула А. П., Ильюшенко В. Н., Антонюк Н. А., Круглое И. С. Метод измерения комплексной диэлектрической проницаемости почвогрунтов в полевых условиях с помощью диполь-пых антенных датчиков в СВЧ диапазоне // Измерение, контроль, информатизация: Материалы 5-й Междунар. науч.-техн. конф., 1-3 июня 2004 г. / Под общ. ред. А. Г. Якунина. - Барнаул: АГТУ, 2004. - С. 33-36.

5. Zagoskin V. V., Shostak A. S., Avdochenko В. I, IIjushenko V, N., Ligthart L. P., Batsula A. P., Antonyuk N. A., Kruglov I. S. Dipole antenna sensors for measurement of complex dielectric permittivity of soils and their application under field conditions U Proc. of 10th Int. Conf. on Ground Penetrating Radar (GPR 2004). - The Netherlands, Delft, 2004. - Vol. 2. - P. 731-734.

6. Zagoskin V. V., Shostak A. S., Avdochenko В. 1., IIjushenko V. N., Ligthart L, P., Batsula A. P., Antonyuk N. A., Kruglov I. S., Yarovoy A. G, Experimental investigation of profile distribution of complex dielectric permittivity of soils // Proc. of 10th Int. Conf. on Ground Penetrating Radar (GPR 2004). - The Netherlands, Delft, 2004. - Vol. 2. - P. 739-742.

7. Antonyk N. A., Kruglov I. S., Zagoskin V. V., Ligthart L. P., Shostak A. S., IIjushenko V, N., Avdochenko В. I. Measurement of the complex dielectric permittivity of homogeneous media with dipole antenna sensors // Proc. of I st European Radar Conf. (EuRAD 2004). - The Netherlands, Amsterdam, 2004. - P. 169-172.

8. Antonyk N. A., Kruglov I. S., Ligthart L. P., Zagoskin V. V., Shostak A. S., IIjushenko V. N. Measurement of the complex dielectric permittivity of stratified media with dipole antenna sensors if Proc. of 1st European Radar Conf. (EuRAD 2004). -The Netherlands, Amsterdam, 2004. - P. 173-176.

9. Круглов И, С. Исследование частотной зависимости импеданса дипольной антенны, расположенной над средой с вертикальными профилями диэлектрических характеристик // Электронный журнал «Исследовано в России». - 2005. -52. - С. 595-602. - http://zhurnal.ape.relarn.ru/articIes/2005/052.pdf.

10. Шостак А. С., Круглов И, С., Авдоченко Б. И. Влияние характеристик горизонтально-слоистой среды на импеданс низкорасположенной полуволновой линейной антенны // Электронные средства и системы управления: Докл. Междунар. науч.-практ. конф., 12-14 октября 2005 г. В 2 ч. — Томск: Изд-во Ин-та оптики атмосферы СО РАН,2005.-Ч, 1.-С. 184-187.

11. Шостак А. С., Авдоченко Б. И., Загоскин В. В., Круглов И. С., Волегов К. А. Входной импеданс ультравысокочастотной линейной антенны, расположенной над трехслойной средой // Изв. высш. учеби. завед., Физика. - 2006. - Т. 49. -№ 8. - С. 79-82.

12. Шостак А. С., Круглов И. С. Определение характеристик верхнего слоя двухслойной среды по результатам измерения импеданса ультравысокочастотной линейной антенны // Изв. высш. учебн. завед., Физика. - 2006. - Т. 49. -Xs 9. Приложение. - С. 88-91.

Автор выражает благодарность за помощь в подготовке материала диссертации своим коллегам: доктору технических наук Шостаку А. С., кандидату физико-математических наук Загоскину В, В., кандидату технических наук Ав-доченко Б. И.

Тираж 100. Заказ № 861, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40

Введение

Глава 1. Диэлектрические свойства грунта и методы их исследования

1.1 Состав и свойства грунта

1.2 Зависимости диэлектрических параметров грунта от внешних и внутренних факторов

1.2.1 Зависимости диэлектрических параметров грунта от частоты электромагнитного поля

1.2.2 Зависимости диэлектрических параметров грунта от температуры

1.2.3 Зависимости диэлектрических параметров грунта от содержания проводящего компонента

1.2.4 Зависимости диэлектрических параметров грунта от его типа

1.3 Математическое описание зависимостей диэлектрических параметров грунта от внешних и внутренних факторов

1.4 Методы измерения диэлектрических параметров грунта

1.5 Выводы

Глава 2. Математическое описание зависимостей импеданса линейной антенны от характеристик горизонтально-слоистой среды

2.1 Взаимный импеданс двух линейных антенн, расположенных в одном из слоёв горизонтально-слоистой среды

2.2 Расчёт импеданса полуволновой линейной антенны, расположенной над однородной средой

2.3 Неразрушающий метод измерения комплексной диэлектрической проницаемости однородной среды с использованием ультравысокочастотной линейной антенны

2.4 Расчёт импеданса полуволновой линейной антенны, расположенной над двухслойной средой

2.5 Неразрушающие методы измерения толщины и диэлектрической проницаемости верхнего слоя двухслойной среды с использованием ультравысокочастотной линейной антенны

2.6 Расчёт импеданса полуволновой линейной антенны, расположенной над трёхслойной средой

2.7 Расчёт импеданса полуволновой линейной антенны, расположенной над грунтом с вертикальными профильными изменениями диэлектрических параметров

2.8 Выводы

Глава 3. Экспериментальная установка для исследования влияния диt электрических свойств грунта на импеданс линейной антенны

3.1 Конструкция экспериментальной установки

3.2 Антенные датчики для полевых измерений

3.3 Антенны для лабораторных измерений

3.4 Выводы

Глава 4. Экспериментальные исследования влияния диэлектрических свойств подстилающей среды на импеданс линейной антенны

4.1 Исследование зависимости модуля импеданса линейной антенны t от высоты расположения антенны над однородной средой

4.2 Исследование зависимости модуля импеданса линейной антенны, расположенной над двухслойной средой, от толщины первого слоя среды

4.3 Исследование зависимости импеданса линейной антенны от высоты расположения антенны над трёхслойной средой

4.4 Исследование влияния пространственного распределения диэлектрических параметров грунта на модуль импеданса линейной антенны в полевых условиях

4.5 Выводы Заключение

По условиям эксплуатации антенны различных типов располагаются вблизи поверхности земли [1]. Входной импеданс (далее - импеданс) таких антенн зависит от диэлектрических свойств грунта, над которым расположены антенны.

Практика проектирования и эксплуатации приземных антенн обусловила необходимость решения задач об определении импеданса антенн с учётом влияния диэлектрических свойств грунта.

Проблема исследования влияния подстилающей среды на импеданс антенн имеет научный интерес и с точки зрения метрологии. В работах [2, 3] показано, что диэлектрические параметры однородной среды можно определять по результатам измерения импеданса одиночной линейной антенны или системы из двух линейных антенн, расположенной над средой. Под однородной средой понимается среда с равномерным пространственным распределением диэлектрических параметров.

По мере развития радиотехники, освоения диапазона ультравысоких частот (300 МГц - 3 ГГц по ГОСТ 24375-80) возникла необходимость изучения влияния подстилающей среды на импеданс ультравысокочастотных антенн.

В реальных условиях грунт, как правило, характеризуется неравномерным пространственным распределением диэлектрических параметров, что осложняет описание его диэлектрических свойств [4]. При решении задач, связанных с оценкой влияния диэлектрических свойств грунта на импеданс антенны, грунт моделируется горизонтально-слоистой средой. В рамках таких модельных представлений диэлектрические свойства грунта описываются количеством слоев, их диэлектрическими параметрами и толщинами.

Расчёту импеданса линейных антенн в присутствии однородных и горизонтально-слоистых сред посвящены работы различных авторов. В работе [5] решена задача для линейной антенны, расположенной над однородной средой параллельно поверхности среды. Предполагалось, что волновое число воздуха много меньше волнового числа среды. Такое допущение позволило вывести формулы для инженерных расчётов приземных антенн.

Выражение для импеданса линейной антенны, расположенной в одном из слоев горизонтально-слоистой среды параллельно границам раздела слоев, получено автором работы [6]. Ему же удалось рассчитать взаимный импеданс двух идентичных линейных антенн, расположенных в одном из слоев горизонтально-слоистой среды параллельно друг другу и границам раздела слоев [7].

В работе [8] предложена теоретическая модель, позволяющая рассчитать импеданс системы из двух параллельных линейных антенн или одиночной линейной антенны, расположенной в одном из слоев горизонтально-слоистой среды параллельно границам раздела слоев. Модель учитывает тот факт, что антенны могут иметь различные длины и могут быть смещены друг относительно друга в направлении каждой из трёх координатных осей. При условии, что длины антенн одинаковы и расстояние между антеннами равно нулю, взаимный импеданс антенн становится равным собственному импедансу одиночной антенны.

Вышеупомянутая модель не имеет экспериментального подтверждения для случая расположения одиночной линейной антенны над горизонтально-слоистой средой. В связи с этим экспериментальное исследование влияния диэлектрических свойств горизонтально-слоистой среды на импеданс линейной антенны является актуальным.

Цель диссертационной работы состоит в экспериментальной проверке известной теоретической модели, позволяющей рассчитать импеданс ультравысокочастотной линейной антенны, расположенной над горизонтально-слоистой средой параллельно границам раздела слоев.

В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи.

1. Исследовать в лабораторных условиях зависимости импеданса ультравысокочастотной линейной антенны от следующих факторов: - высоты расположения антенны над однородной средой,

- толщины первого (верхнего) слоя двухслойной среды,

- высоты расположения антенны над трёхслойной средой.

2. Исследовать в полевых условиях влияние пространственного распределения диэлектрических параметров грунта на импеданс ультравысокочастотной линейной антенны.

Вышеуказанные исследования необходимо провести для линейных антенн, настроенных на различные частоты.

3. На основе сравнения результатов экспериментальных исследований с результатами теоретических расчётов сделать вывод о возможности применения известной теоретической модели для расчёта импеданса ультравысокочастотной линейной антенны, расположенной над горизонтально-слоистой средой.

При решении задач диссертационного исследования использовались известные положения радиофизики, теория антенн, рефлектометрический метод измерения импеданса линейной антенны. Обработка результатов теоретических расчётов и экспериментальных исследований производилась на ПЭВМ с применением методов графического представления данных.

Достоверность основных результатов диссертационной работы подтверждена их соответствием результатам, полученным другими авторами для частных случаев, корректностью постановки и решения задач диссертационного исследования.

В диссертации систематизированы результаты международных научно-исследовательских работ, выполнявшихся в период с 2003 по 2004 гг. Работы проводились в рамках совместного проекта Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) и Международного исследовательского центра телекоммуникаций, излучения и радиолокации (IRCTR) при Дельфтском университете технологии (TU Delft).

Научная новизна диссертационной работы определяется следующими её результатами:

1. Впервые экспериментально обоснована возможность применения известной теоретической модели для расчёта импеданса ультравысокочастотной линейной антенны, расположенной над горизонтально-слоистой средой параллельно границам раздела слоев.

2. Впервые разработаны неразрушающие методы измерения толщины и диэлектрической проницаемости верхнего слоя двухслойной среды с использованием ультравысокочастотной линейной антенны. Толщина или диэлектрическая проницаемость слоя определяется по значению высоты расположения антенны над средой, соответствующему экстремальному значению модуля импеданса антенны.

3. Впервые сформулированы условия, касающиеся результатов измерения импеданса полуволновой линейной антенны при изменении высоты расположения антенны над средой, достаточные для вывода о том, что среда неоднородна.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Известная теоретическая модель, выдержавшая экспериментальную проверку в рамках диссертационного исследования, рекомендуется к использованию при проектировании ультравысокочастотных линейных антенн, предназначенных для эксплуатации вблизи поверхности земли.

2. Разработанные неразрушающие методы измерения толщины и диэлектрической проницаемости верхнего слоя двухслойной среды с использованием t ультравысокочастотной линейной антенны рекомендуется применять при решении геологических задач, а также в промышленности. Для определения характеристик слоя по предложенным методам необязательно проводить измерения модуля импеданса антенны с помощью измерителя комплексных коэффициентов передачи. Можно воспользоваться результатами относительных измерений, выполняемых с применением более простых устройств.

3. Сформулированные в диссертации условия, касающиеся результатов измерения импеданса полуволновой линейной антенны, расположенной над средой, предлагается использовать при разработке неразрушающего метода контроля качества приготовления (смешения) многокомпонентных смесей в промышленности.

Результаты диссертационного исследования использованы при проведении международных научно-исследовательских работ на кафедре радиоэлектроники и защиты информации ТУСУР, в учебном процессе на кафедре конструирования и производства радиоаппаратуры ТУСУР, а также при разработке антенн в научно-производственной фирме «МИКРАН» (см. Приложение А).

Результаты работы докладывались на Десятой Международной конференции по подповерхностной радиолокации "GPR 2004" (Дельфт, Нидерланды, 2004 г.), Первой Европейской конференции по радиолокации "EuRAD 2004" (Амстердам, Нидерланды, 2004 г.) и Первой Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2006 г.).

По материалам диссертации подготовлено 12 публикаций. Среди них статья в ведущем рецензируемом научном журнале, статья в рецензируемом электронном научном журнале, тезисы доклада и 7 докладов международных научных конференций (в том числе доклад, опубликованный в приложении к ведущему рецензируемому научному журналу), а также 2 отчёта о международных научно-исследовательских работах.

Диссертация содержит 110 страниц, 51 рисунок, 3 таблицы и приложение. Библиографический список включает 65 источников. Основное содержание диссертации изложено в 4 главах.

В первой главе рассмотрены состав и свойства грунта, зависимости диэлектрических параметров грунта от внешних и внутренних факторов, математическое описание этих зависимостей, а также методы исследования диэлектрических свойств грунта в лабораторных и полевых условиях.

Во второй главе представлена известная теоретическая модель, позволяющая рассчитать импеданс линейной антенны, расположенной над горизонтально-слоистой средой параллельно границам раздела слоёв. Описаны нераз-рушающие методы измерения толщины и диэлектрической проницаемости верхнего слоя двухслойной среды с использованием ультравысокочастотной линейной антенны.

Третья глава посвящена экспериментальной установке для исследования влияния диэлектрических свойств грунта на импеданс линейной антенны. Основное внимание уделено конструктивным особенностям антенных датчиков для полевых измерений и антенн для лабораторных измерений.

В четвёртой главе изложены результаты экспериментальных исследований влияния диэлектрических свойств подстилающей среды на импеданс линейной антенны.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Возможность применения известной теоретической модели для расчёта импеданса ультравысокочастотной линейной антенны, расположенной над горизонтально-слоистой средой параллельно границам раздела слоёв, подтверждается соответствием результатов теоретических расчётов экспериментальным данным для частных случаев.

2. По значению высоты расположения ультравысокочастотной линейной антенны над двухслойной средой, соответствующему экстремальному значению модуля импеданса антенны, можно определять толщину или диэлектрическую проницаемость верхнего слоя среды. В случае, когда известны диэлектрические параметры слоёв среды, можно определить толщину верхнего слоя. В случае, когда известны толщина и фактор потерь верхнего слоя, а также диэлектрические параметры нижнего слоя, можно определить диэлектрическую проницаемость верхнего слоя.

3. При условии, что модуль (или действительная, или мнимая часть) импеданса полуволновой линейной антенны принимает максимальное значение в случае расположения антенны над средой на высоте, существенно отличающейся от 0,28 (или 0,33, или 0,19) длины волны в свободном пространстве, среда не является однородной.

Личный вклад автора состоит в следующем: - определены цель работы и задачи исследования;

- обоснован выбор оптимальной высоты расположения полуволновой линейной антенны над однородной средой для случаев измерения модуля, действительной и мнимой частей импеданса антенны;

- сформулированы условия, касающиеся результатов измерения импеданса полуволновой линейной антенны, расположенной над средой, достаточные для вывода о том, что среда неоднородна.

Совместно с Шостаком А. С. автором предложены неразрушающие методы измерения толщины и диэлектрической проницаемости верхнего слоя двухслойной среды с использованием ультравысокочастотной линейной антенны.

Автор принимал участие в экспериментальных исследованиях, обработке и анализе экспериментальных данных, обсуждении и систематизации результатов исследований, формировании выводов.

Расчёты импеданса линейных антенн, расположенных над однородными и горизонтально-слоистыми средами, выполнены Шостаком А. С. Антенные датчики для полевых измерений и антенны для лабораторных измерений разработаны Авдоченко Б. И. Первая глава диссертации написана по материалам, предоставленным Загоскиным В. В.

Автор выражает благодарность за помощь в подготовке материала диссертации своим коллегам: доктору технических наук Шостаку А. С., кандидату физико-математических наук Загоскину В. В., кандидату технических наук Авдоченко Б. И.

4.5 Выводы

1. Исследование зависимости модуля импеданса ультравысокочастотной линейной антенны от высоты расположения антенны над однородной средой показало, что отклонения теоретических значений модуля импеданса от экспериментальных значений не превышают 6%.

2. Исследование зависимости модуля импеданса ультравысокочастотной линейной антенны, расположенной над двухслойной средой, от толщины первого слоя среды показало, что отклонения теоретических значений модуля импеданса от экспериментальных значений не превышают 5%.

3. Исследование зависимостей действительной и мнимой частей импеданса ультравысокочастотной линейной антенны от высоты расположения антенны над трёхслойной средой показало, что полученные теоретические и экспериментальные зависимости совпадают на качественном уровне.

4. Исследованные зависимости имеют осциллирующий характер. Период изменения модуля, действительной или мнимой части импеданса линейной антенны уменьшается при увеличении частоты настройки антенны.

5. Исследование влияния пространственного распределения диэлектрических параметров грунта на модуль импеданса ультравысокочастотной линейной антенны показало, что отклонение теоретического значения модуля импеданса от усреднённого экспериментального значения не превышает 15%.

6. Соответствие результатов расчётов экспериментальным данным подтверждает возможность применения известной теоретической модели (см. п. 2.1) для расчёта импеданса ультравысокочастотной линейной антенны, расположенной над горизонтально-слоистой средой параллельно границам раздела слоёв.

Заключение

1. Исследовано экспериментально влияние диэлектрических свойств подстилающей среды на импеданс ультравысокочастотных линейных антенн. На основе сравнения экспериментальных данных и результатов расчётов, выполненных с использованием известной теоретической модели, сделан следующий вывод. Возможность применения известной теоретической модели для расчёта импеданса ультравысокочастотной линейной антенны, расположенной над горизонтально-слоистой средой параллельно границам раздела слоёв, подтверждается соответствием результатов теоретических расчётов экспериментальным данным для частных случаев. Данная модель рекомендуется к использованию при проектировании ультравысокочастотных линейных антенн, предназначенных для эксплуатации вблизи поверхности земли.

2. Исследовано теоретически поведение модуля импеданса ультравысокочастотной линейной антенны в зависимости от высоты расположения антенны над двухслойной средой при различных толщинах и значениях диэлектрической проницаемости верхнего слоя среды. На основе анализа полученных результатов установлено следующее. По значению высоты расположения ультравысокочастотной линейной антенны над двухслойной средой, соответствующему экстремальному значению модуля импеданса антенны, можно определять толщину или диэлектрическую проницаемость верхнего слоя среды. В случае, когда известны диэлектрические параметры слоёв среды, можно определить толщину верхнего слоя. В случае, когда известны толщина и фактор потерь верхнего слоя, а также диэлектрические параметры нижнего слоя, можно определить диэлектрическую проницаемость верхнего слоя.

Выявленные возможности положены в основу разработанных неразру-шающих методов измерения толщины и диэлектрической проницаемости верхнего слоя двухслойной среды с использованием ультравысокочастотной линейной антенны. Данные методы рекомендуется применять при решении геологических задач, а также в промышленности. Для определения характеристик слоя по предложенным методам необязательно проводить измерения модуля импеданса антенны с помощью измерителя комплексных коэффициентов передачи. Можно воспользоваться результатами относительных измерений, выполняемых с применением более простых устройств.

3. На основе анализа теоретических зависимостей импеданса линейной антенны от высоты расположения антенны над однородными и горизонтально-слоистыми средами установлено следующее. Если модуль (или действительная, или мнимая часть) импеданса полуволновой линейной антенны принимает максимальное значение в случае расположения антенны над средой на высоте, существенно отличающейся от 0,28 (или 0,33, или 0,19) длины волны в свободном пространстве, то среда не является однородной. Эти условия могут быть использованы при разработке неразрушающего метода контроля качества приготовления (смешения) многокомпонентных смесей в промышленности.

1. Лавров Г. А., Князев А. С. Приземные и подземные антенны. М.: Сов. радио, 1965.-472 с.

2. Князев А. С. Инженерный расчет сопротивлений линейных проводов с учетом воздействия реальной земли // Радиотехника. 1960. - Т. 15. - № 9. - С. 2132

3. Galejs J. Driving point impedance of linear antennas in the presence of a stratified dielectric // IEEE Trans. Ant. and Propagat. 1965. - Vol. AP-13. - N 5. - P. 725737

4. Galejs J. Mutual impedance of linear antennas in the presence of a stratified dielectric // IEEE Trans. Ant. and Propagat. 1966. - Vol. AP-14. - N2.-P. 195202

5. Дума А. Р., Дорохов В. И., Шостак А. С. Радиоволновой метод контроля параметров диэлектрических материалов на основе измерения импеданса линейных антенн // Дефектоскопия. 1986. - № 1. - С. 54-61

6. Сергеев Е. М. и др. Грунтоведение / Е. М. Сергеев, Г. А. Голодковская, Р. С. Зиангиров и др.; Под ред. Е. М. Сергеева. 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГУ, 1983.-392 с.

7. Киселев Н. Ф. Методика измерений диэлектрических свойств некоторых почвогрунтов на высоких частотах И Вестник Московского ун-та. Сер. VI, биология, почвоведение. 1973. - № 2. - С. 67-71

8. Чантуришвили Л. С. и др. Горные породы в физических полях / Л. С. Чан-туришвили, Т. JI. Челидзе, М. Л. Челишвили и др. Тбилиси: Мецниереба, 1971.-229 с.

9. Вадюнина А. Ф., Ткаченко Ю. Г. Зависимость электрических свойств почвы от частоты электрического тока // Вестник Московского ун-та. Сер. VI, биология, почвоведение. 1972. - № 4. - С. 82-86

10. Кинг Р., Смит Г. Антенны в материальных средах: Пер. с англ. В 2 кн. М.: Мир, 1984.-2 кн.

11. Черняк Г. Я. Диэлектрические методы исследования влажных грунтов. М.: Недра, 1964.- 128 с.

12. Пархоменко Э. И. Электрические свойства горных пород. М.: Наука, 1965.- 164 с.

13. Нерпин С. В., Чудновский А. Ф. Физика почвы. М.: Наука, 1967. - 584 с.

14. Челидзе Т. Л. Экспериментальное исследование дисперсии диэлектрической проницаемости увлажняемого грубодисперсного кварца // Коллоидный журнал. 1970. - Т. 32. - Вып. 3. - С. 444-447

15. Троицкий Н. Б. Об одной закономерности в диэлектрическом спектре влажной дисперсной системы // Изв. высш. учебн. завед., Физика. 1973. - № 9. -С. 156-159

16. Цыдыпов Ч. Ц. и др. Исследование электрических свойств подстилающей среды / Ч. Ц. Цыдыпов, В. Д. Цыденов, Ю. Б. Башкуев и др. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1979. - 176 с.

17. Балыгин И. Е., Воробьев В. И. Измерение диэлектрической постоянной и удельной проводимости почвы // ЖТФ. 1934. - Т. 4. - Вып. 10. - С. 1836-1843

18. Нестеров В. М., Перфильева В. Д. О возможности определения различных типов почвенной влаги по измерению диэлектрических характеристик // Электромагнитные методы исследования и контроля материалов: Сб. докл. Томск: Изд-во ТГУ, 1977.-С. 152-160

19. Раисов О. Ж. Зависимость удельного электрического сопротивления лугово-сероземного солончака от температуры // Вестник Московского ун-та. Сер. VI, биология, почвоведение. 1973. -№ 3 - С. 118-121

20. Шутко А. М. СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвогрунтов. М.: Наука, 1986.- 190 с.

21. Хипп Дж. Зависимость электромагнитных характеристик почвы от влажности, плотности почвы и частоты // ТИИЭР (пер. с англ.). 1974. - Т. 62. - № 1. -С. 122-127

22. Дущенко В. П. Исследование зависимости диэлектрической проницаемости увлажненного кварцевого песка от влагосодержания // Труды Киевского технологического ин-та пищевой пром-сти. 1957. - Вып. 17. - С. 171-172

23. Александров Б. П., Михайлов Г. П. Электрометрические методы измерения влажности дисперсных тел // ЖТФ. 1938. - Т. 8. - Вып. 12. - С. 1121-1129

24. Лещанский Ю. И., Лебедева Г. Н., Шумилин В. Д. Электрические параметры песчаного и глинистого грунтов в диапазоне сантиметровых, дециметровых и метровых волн // Изв. высш. учебн. завед., Радиофизика. 1971. - Т. 14. -№ 4. - С. 562-569

25. Оделевский В. И. Расчет обобщенной проводимости гетерогенных систем. I. Матричные двухфазные системы с невытянутыми включениями // ЖТФ. -1951. Т. 21. - Вып. 6. - С. 667-677

26. Ванин Б. В. Диэлектрическая проницаемость неупорядоченных неоднородных сред // Труды Всесоюз. науч.-исслед. ин-та электроэнергетики. 1965. -Вып. 20. - С. 236-255

27. Танзыбаев М. Г., Перфильева В. Д., Нестеров В. М. Зависимость электрофизических параметров некоторых почв от влажности и температуры в диапазоне частот 20 Гц 107 Гц // Вопросы почвоведения Сибири. - Томск: Изд-во Томского ун-та, 1979. - С. 59-67

28. Мельник Ю. А. и др. Радиолокационные методы исследования Земли / Ю. А. Мельник, С. Г. Зубкович, В. Д. Степаненко и др.; Под ред. Ю. А. Мельника. М.: Сов. радио, 1980. - 264 с.

29. Челидзе Т. Л., Деревянко А. И., Куриленко О. Д. Электрическая спектроскопия гетерогенных систем. Киев: Наук, думка, 1977. - 231 с.

30. Черняк Г. Я., Мясковский О. М. Радиоволновые методы в гидрологии и инженерной геологии. -М.: Недра, 1973. 175 с.

31. Редькин Б. А., Клочко В. В., Хохлачев В. В., Бабушкин А. Г. Теоретическое и экспериментальное исследования комплексной диэлектрической проницаемости почв в УКВ-диапазоне // Радиотехника и электроника. 1975. - Т. 20. -№ 1.-С. 164-166

32. Бирчак Дж. Р., Гарднер К. Дж., Хипп Дж., Виктор Дж. М. Определение влажности грунта с помощью СВЧ-датчиков из диэлектрика с большой диэлектрической проницаемостью // ТИИЭР (пер. с англ.). 1974. - Т. 62. - № 1. -С. 115-121

33. Боровинский Б. А., Ткаченко Ю. Г. Установка для определения электрических свойств почвы в диапазоне 20 Гц 200 кГц // Почвоведение. - 1972. - № 7. -С. 135-139

34. Gurland J. An estimate of contact and continuity of dispersions in opaque samples // Trans. Metall. Soc. AIME. 1966. - Vol. 236. - P. 642-646

35. Киркпатрик С. Перколяция и проводимость // Теория и свойства неупорядоченных материалов: Сб. статей: Пер. с англ. Под ред. В. JI. Бонч-Бруевича. -М.: Мир, 1977.-С. 249-292

36. Лучининов В. С. Электрические характеристики льда // ЖТФ. 1968. -Т. 38.-Вып. 3,-С. 565-572

37. Спиридонов В. И. Релаксационная модель диэлектрических свойств воды в гетерогенных смесях // Измерительная техника. 1982. - № 5. - С. 68-70

38. Бурак И. Н., Жиленков И. В. Комплексная диэлектрическая проницаемость неоднородных диэлектриков // Изв. высш. учебн. завед., Физика. 1958. - № 6. -С. 106-113

39. Харитонов Е. В., Ханин С. Д. Об эффекте протекания в керметных пленках // Физика и техника полупроводников. 1977. - Т. 11. - Вып. 2. - С. 417-418

40. Хиппель А. Р. Диэлектрики и волны: Пер. с англ. Под ред. проф. Н. Г. Дроздова. М.: Изд-во иностр. лит., I960. - 438 с.

41. Арманд Н. А., Башаринов А. Е., Шутко А. М. Исследования природной среды радиофизическими методами (обзор) // Изв. высш. учебн. завед., Радиофизика. 1977. - Т. 20. - № 6. - С. 809-841

42. Семенов В. С., Фрумкис Л. С., Шостак А. С. Бесконтактный способ измерения электродинамических параметров диэлектрических материалов в диапазоне УКВ // Тез. науч.-техн. конф. по радиотехническим измерениям. Новосибирск, 1967.-С. 69-70

43. Starkey В. J., Fitch Е. Mutual impedance and self-impedance of coupled parallel aerials // PIEE. 1950. - Vol. 97. - N 47. - P. 129-137

44. Шостак А. С., Круглов И. С. Определение характеристик верхнего слоя двухслойной среды по результатам измерения импеданса ультравысокочастотной линейной антенны // Изв. высш. учебн. завед., Физика. 2006. - Т. 49. -№ 9. Приложение. - С. 88-91

45. Шостак А. С., Авдоченко Б. И., Загоскин В. В., Круглов И. С., Волегов К. А. Входной импеданс ультравысокочастотной линейной антенны, расположенной над трехслойной средой // Изв. высш. учебн. завед., Физика. 2006. - Т. 49. -№ 8. - С. 79-82

46. Боровиков В. П. STATISTICA: искусство анализа данных на компьютере. Для профессионалов. СПб.: Питер, 2001. - 656 с.108