Радиофизические методы диагностики материалов и сред (стр. 5 )

Если СВЧ-колебания распространяются в какой-то среде, то волновое сопротивление может быть найдено так:

,

где – комплексное значение абсолютной магнитной проницаемости среды:

,

 – комплексное значение абсолютной диэлектрической проницаемости среды:

,

, – индукция компонент электрического и магнитного полей соответственно; – магнитная постоянная, равная Гн/м; – диэлектрическая постоянная, равная 1/36 Ф/м; – удельная электрическая проводимость среды, См/м; – круговая частота СВЧ-колебаний, рад/с.

Часто используют величину, называемую тангенсом угла диэлектрических потерь, которую удобно применять при анализе процессов в диэлектриках:

.

Волновое сопротивление, диэлектрических неферромагнитных материалов меньше, чем волновое сопротивление вакуума (=377 Ом), а у ферромагнитных диэлектриков может быть больше его.

Проводящие материалы имеют очень малое по модулю волновое сопротивление, определяемое удельной электрической проводимостью ( можно пренебречь) и магнитной проницаемостью , а аргумент импеданса близок к 45°, т. е. действительная и мнимая части волнового сопротивления равны. Для полупроводниковых материалов – ферритов и несовершенных диэлектриков – волновое сопротивление имеет промежуточное значение относительно металлов и диэлектриков и различные соотношения между действительной и мнимой частями.

Распределение напряженности электрического поля (или пропорционального ей напряжения) вдоль двухпроводной или волноводной длинной линии в различных режимах, каждый из которых задается соотношением между падающей и отраженной волнами, идущими от источника и нагрузки, показано на рис. 2.1.

Рис. . Распространение СВЧ-колебаний в разных режимах:

1 – стоячая волна; 2 – бегущая волна; 3 – общий случай; 4 – линия с потерями

В каналах радиоволновой аппаратуры обычно стараются получить режим бегущей волны, когда амплитуда напряжений и токов по длине тракта постоянна и происходит наиболее полная передача СВЧ-энергии в нагрузку (рис. 2.1).

Режим бегущей волны (согласованный режим) достигается при равенстве сопротивления нагрузки  волновому сопротивлению линии   и характеризуется тем, что модуль напряженности электрического и магнитного полей вдоль линии постоянен. Если линия и нагрузка не имеют потерь (, или – чисто реактивное), то возникает режим стоячей волны, когда модули падающей и отраженной волн равны и поэтому в точках, отстоящих на , достигаются нулевые значения напряженности электрического или магнитного поля (рис. 2.1). В общем случае () напряженность электрического поля будет периодически изменяться от максимального до минимального значения (рис. 2.1), причем смещение минимума  от конца линии будет характеризовать реактивную составляющую сопротивления нагрузки, а перепад между максимумом и минимумом зависит от активной составляющей.

На практике для анализа процессов в линии передачи чаще всего используют понятия коэффициента бегущей волны (КБВ) или коэффициента стоячей волны (КСВ):

где и – модули минимальной и максимальной напряженностей электрического поля (см. рис. 2.1). Кроме того, используется понятие фазы коэффициента отражения волны, однозначно задаваемого нагрузкой. Практически эта величина определяется расстоянием от нагрузки до точки минимума:

.

Коэффициент отражения может быть найден по известным КБВ или КСВ.

2.4 Общие вопросы построения аппаратуры радиоволнового контроля

В контролируемых объектах, как правило, могут быть доступными одна или две поверхности, что определяет возможность применения контроля только по отраженному или по отраженному и прошедшему излучениям. Контроль по прошедшему излучению требует более обширного пространства, но предпочтителен, поскольку возможно существенное снижение влияния перемещений контролируемых объектов между излучающей и приемной антеннами. Наиболее подробную информацию о контролируемом объекте дает применение многоэлементных антенн, которые решают задачу контроля внутреннего строения объекта [1; 9].

Задачи структуроскопии, толщинометрии и дефектоскопии можно решать с использованием одно - и многоканальных устройств (рис. 2.2 в варианте радиоволнового контроля по прошедшему излучению).

а б

Рис. . Схемы радиоволнового контроля: а – одноканального; б – многоканального (1 – СВЧ-генератор, 2 – излучающие системы, 3 – контролируемый объект, 4 – приемная система, 5 – блоки обработки сигналов)

Выбор рабочей частоты (трехсантиметрового или восьмимиллиметрового диапазона) обусловлен как общими требованиями по решаемой контрольно-измерительной задаче (геометрические размеры, необходимая разрешающая способность аппаратуры, зона контроля и т. д.), так и значениями электромагнитных параметров на данной рабочей частоте.

Поскольку СВЧ-колебания по мере проникновения вглубь материала контролируемого объекта уменьшаются по амплитуде, отраженные сигналы с увеличением толщины уменьшаются, и, начиная с некоторой толщины, контроль становится весьма затруднителен. Оценку затухания СВЧ-колебаний можно произвести, определив глубину проникновения СВЧ-поля для плоской волны из выражения [17]:

,

а затем учесть, что волна близка к цилиндрической или сферической и сигналы будут дополнительно снижаться за счет геометрического фактора.

Обширной областью применения радиоволнового метода является контроль физических величин, характеризующих материал или его состояние. При необходимости получить повышенную точность измерения физических величин применяют двухканальные приборы типа интерферометров в сочетании с компенсационными способами измерений. Наибольшее распространение получили устройства для измерения плотности материалов на основе измерений диэлектрической проницаемости, влажности материалов и покрытий, оценки механических характеристик композиционных материалов, полуфабрикатов и изделий.

2.5 Особенности взаимодействия радиоволнового излучения с объектами контроля

Контролируемый объект, приемное и излучающее устройство при радиоволновом контроле находятся, как правило, в ближней зоне, где структура электромагнитного поля носит сложный характер и строгий анализ невозможен.

Поэтому вопросы взаимодействия объектов контроля с электромагнитным СВЧ-полем решаются экспериментально или приближенными методами. Если расстояния между границами различных сред соизмеримы или на много больше по сравнению с длиной волны СВЧ-колебаний в материале, а каждая из сред однородна, используют законы геометрической оптики. При этом полагают, что в пределах однородной среды СВЧ-излучение распространяется прямолинейно и направления падающей, отраженной и преломленной волн (во всех средах 1–3) лежат в одной плоскости (в плоскости чертежа на рис. 2.3) и тогда справедливы следующие соотношения, которые выполняются независимо от поляризации падающей волны [1; 9].

При отражении радиоволны от границы раздела двух сред угол падения равен углу отражения, т. е. . Прошедший во вторую среду луч преломляется на границе раздела сред так, что угол падения и угол преломления связаны выражениями