Радиофизические методы диагностики материалов и сред (стр. 6 )

, , ,

где N – относительный коэффициент преломления; , – коэффициенты преломления среды 1 и 2 соответственно.

Рис. . Взаимодействие излучения с пластиной

Из выражения (2.15) можно получить

.

Составляющая поля в отраженной и преломленной волнах зависит как от параметров сред, так и от поляризации падающей волны. Напряженность электрического поля характеризует коэффициенты отражения и преломления волн:

, .

Коэффициенты отражения и преломления для разных вариантов положения вектора напряженности электрического поля могут быть рассчитаны, если известны импедансы (волновые сопротивления) сред. Если вектор напряженности электрического поля лежит в плоскости падения, то

,

.

Если вектор напряженности электрического поля перпендикулярен плоскости падения, то

,

.

Поскольку между векторами напряженности электрического и магнитного полей существует однозначная связь, то

,

где – единичный вектор нормали.

Зная коэффициент отражения или преломления, можно определить компоненты электромагнитного поля в любой из сред. Некоторые частные случаи, реализуемые в аппаратуре радиоволнового контроля, рассмотрены в [1; 9].

2.6 Элементная база и основные устройства аппаратуры радиоволнового контроля

2.6.1 Источники сверхвысокочастотных колебаний

Основными источниками СВЧ-колебаний являются полупроводниковые и электронные генераторы [[20]; [21]].

В качестве полупроводниковых генераторов используют лавинно-пролетные диоды, диоды Ганна, туннельные диоды и др. Основные их достоинства: малые габариты, масса и потребляемая мощность. Недостаток – низкая стабильность характеристик и большие шумы.

Электронные генераторы СВЧ-колебаний [21] строятся на базе клистронов, ламп бегущей и обратной волн, магнетронов. В радиоволновой аппаратуре основное применение нашли клистронные генераторы мощностью 5–20 мВт. Их недостатком является необходимость высокого по напряжению стабилизированного питания и, как следствие, – большие габариты и масса.

В качестве примера схематично рассмотрим принцип действия и построения СВЧ-генераторов на основе лавинно-пролетного диода (ЛПД) и клистрона, функциональные схемы которых представлены на рис. 2.4.

а б

Рис. . Функциональные схемы СВЧ-генераторов на ЛПД (а) и отражательном клистроне (б)

Генератор на лавинно-пролетном диоде, функциональная схема которого изображена на рис. 2.4 а, состоит из следующих крупных блоков: ЛПД, резонатора Р, стабилизированного блока питания СБП, модулятора МД, блока управления частотой БУЧ. ЛПД и Р обычно конструктивно совмещаются, чтобы не было дополнительных набегов фаз и нестабильностей, определяемых особенностями СВЧ-диапазона. Именно эти два блока обеспечивают создание СВЧ-колебаний. СБП задает рабочий режим ЛПД по постоянному току, а МД и БУЧ дают возможность при необходимости осуществлять амплитудную модуляцию (чаще всего прямоугольными импульсами с частотой 1 кГц) и изменение частоты. Лавинно-пролетный диод – это специальный полупроводниковый диод, предназначенный для работы в СВЧ-диапазоне. Напряжение питания ( В в зависимости от типа диода) подается через дроссель в обратном направлении, а рабочая область генерации СВЧ-колебаний лежит в зоне электрического пробоя. Параллельно ЛПД включен резонатор Р, настроенный на частоту генерации. ЛПД в динамическом режиме обладает отрицательным сопротивлением и будет компенсировать потери энергии, поддерживая СВЧ-колебания в резонаторе. Энергия СВЧ-колебаний выводится из резонатора с помощью петли связи.

Стабилизированный блок питания СБП является источником постоянного напряжения, который не зависит от вариаций напряжения питающей сети и нагрузки. Он построен по типовой схеме и содержит трансформатор Тр, выпрямитель В, фильтр Ф и стабилизатор СТ с большим коэффициентом стабилизации для защиты диода от теплового пробоя и стабилизации СВЧ-колебаний.

Модулятор МД может быть выполнен в виде управляемого электронного ключа, подающего питание на ЛПД в требуемые моменты времени.

Генератор на отражательном клистроне, функциональная схема которого приведена на рис. 2.4 б, имеет блоки, аналогичные полупроводниковому СВЧ-генератору. Отражательный клистрон КЛ – это специальная электронно-вакуумная лампа, имеющая катод К с подогревателем ПК, две сетки СВ и СН, соединяемые с объемным резонатором Р, и отражатель ОТ. Блок питания СБП создает необходимые питающие напряжения.

Частоту СВЧ-колебаний клистронного генератора можно регулировать так же, как и в генераторе на ЛПД, изменяя резонансную частоту резонатора Р с помощью подстроечных винтов ПВ (перестройка на 10–20 %) или изменяя постоянные напряжения на электродах (отражателе) клистрона (перестройка до 1 %), а чтобы получить модулированные по амплитуде или частоте СВЧ-колебания, на отражатель ОТ клистрона подают пульсирующее напряжение.

2.6.2 Основные устройства для формирования и обработки СВЧ-сигналов и полей

К таким устройствам относятся: излучающие и приемные устройства, аттенюаторы, вентили, фазовращатели, направленные ответвители, детекторные секции, тройники, резонаторы, согласованные нагрузки, отрезки волноводов специальной формы, измерительные линии и волномеры. Большинство этих СВЧ-устройств, используемых в неразрушающем контроле, построены на базе волноводов, что характерно для трехсантиметрового и восьмимиллиметрового диапазонов СВЧ [17; 20].

Излучающие и приемные устройства (антенны), применяемые при радиоволновом контроле, могут быть выполнены в виде рупора, открытого среза волновода, щелей или волновода с диэлектрической вставкой (рис. 2.5), что определяется необходимой локальностью контроля, требуемой чувствительностью аппаратуры и особенностями конкретной задачи. Так, например, излучатель и приемник в виде рупора (рис. 2.5 а) дают хорошее согласование волноводного тракта с внешним пространством и с контролируемым объектом, что обеспечивает большие амплитуды сигналов, но ведет к ухудшению локальности контроля. Применение щелевого устройства в виде суживающегося волновода (рис. 2.5 г), наоборот, повышает локальность контроля, если контролируемый объект находится непосредственно у щели, но при этом возникают значительные отражения СВЧ-колебаний от узкого среза, что снижает чувствительность аппаратуры и ведет к маскировке полезного сигнала.

При удалении объекта от антенны зона облучения расширяется в виде конуса, угол раскрыва которого тем больше, чем меньше размеры антенны, т. е. примерно соответствует ширине ее диаграммы направленности. Зона, где происходит излучение СВЧ-колебаний, у излучателей и приемников чаще всего заполняется диэлектрическими вставками, которые улучшают работу этих устройств, а также препятствуют проникновению в них посторонних предметов и различных загрязнений. На основе показанных на рис. 2.5 устройств могут создаваться и более сложные излучающие и принимающие устройства, например двухэлементные, реализующие метод самосравнения в дефектоскопии, или в виде многоэлементных антенных решеток. Как следует из принципа взаимности, одно и то же устройство может использоваться в качестве излучающего или принимающего.

а б в г д е

Рис. . Типы излучающих и приемных устройств, используемых в радиоволновом контроле: а – рупор; б – фланец волновода; в – срез волновода; г – суживающийся конец волновода; д – щели; е – волновод с диэлектрической вставкой

Канализирующие устройства волновода или отрезки коаксиальных линий с различными поперечными сечениями передают энергию СВЧ-колебаний от генератора и излучателя или от приемного устройства к первичному измерительному преобразователю. Коаксиальные линии (рис. 2.6 а) используются при передаче СВЧ-энергии на короткие расстояния. Полосковые линии (рис. 2.6 б, в) хорошо сочетаются с современной печатной технологией производства радиоэлектронной техники. Чаще других в устройствах радиоволнового контроля применяют прямоугольные волноводы, а иногда – круглые. В области коротковолнового СВЧ-диапазона (восьмимиллиметрового и короче) могут быть использованы диэлектрические волноводы и устройства на их основе (рис. 2.6 е).

Аттенюатор (ослабитель) служит для дискретной или плавной регулировки амплитуды СВЧ-сигналов путем изменения размеров поперечного сечения волновода, введения вставок, в которых затухают СВЧ-колебания, или путем использования поляризационных особенностей СВЧ-колебаний.