Радиофизические методы диагностики материалов и сред (стр. 7 )

а б в г д е

Рис. . Поперечные сечения основных типов канализирующих СВЧ-устройств: а – коаксиальная линия; б – симметричная полосковая линия; в – несимметричная полосковая линия; г – прямоугольный волновод; д – круглый волновод; е – диэлектрический волновод (1 – металл; 2 – диэлектрик)

Вентиль пропускает СВЧ-энергию только в одном направлении, т. е. только падающую волну, что необходимо для работы СВЧ-тракта в режиме бегущей волны и устранения влияния нагрузки на источник колебаний.

Фазовращатель дает возможность изменить фазу СВЧ-колебаний на фиксированное значение дискретно или плавно и представляет собой отрезок длинной линии регулируемой длины или с изменяемыми электрическими параметрами среды ( или ), что позволяет регулировать электрическую длину отрезка и приводит к дополнительному набегу фазы, зависящему от отношения электрической длины отрезка к длине волны.

Направленный ответвитель имеет один вход и два или более выходов, на которые передает определенную часть только падающей или отраженной волны в нужный волновод СВЧ-тракта. Он может использоваться как делитель мощности в определенной пропорции, а также для сложения или вычитания сигналов.

Детекторная секция (амплитудный детектор, выпрямитель) преобразует СВЧ-колебания в сигналы постоянного тока или в сигналы, пропорциональные огибающей СВЧ-колебаний. Она выполняется на базе СВЧ выпрямительного устройства с полупроводниковым диодом. Для увеличения значений выходных сигналов детекторная секция обычно содержит резонаторную часть, которая настраивается специальным поршнем в режим резонанса на рабочей частоте. В аппаратуре с аналоговой обработкой сигнала к детекторной секции обычно подключаются чувствительный микроамперметр, усилитель или регистрирующий прибор.

Смесительная секция подобна детекторной, но имеет два входа, к которым подводятся СВЧ-колебания двух разных частот. В результате их наложения и выпрямления на выходе смесительной секции выделяется составляющая колебаний разностной частоты, которая намного меньше частоты СВЧ-колебаний и обработка сигналов на которой производится гораздо проще.

Тройники имеют три или более волноводных ответвлений и служат для разделения потока СВЧ-энергии или, наоборот, для суммирования (вычитания) СВЧ-колебаний. В аппаратуре радиоволнового контроля используют -тройник, -тройник и двойной тройник (стрелками на рис. 2.7 показано направление вектора напряженности электрического поля).

а б в

Рис. . Волноводные СВЧ-тройники: а – Е-тройник; б – Н-тройник; в – СВЧ-мост (двойной тройник)

Резонаторы по существу являются резонансными контурами и с их помощью можно выполнять те же преобразования сигналов, что и с помощью резонансных контуров: выделять колебания требуемой частоты, согласовывать различные элементы между собой, изменять значения токов или напряжений и т. д. Резонаторы могут выполняться в виде объемных конструкций или отрезков волноводов и длинных линий. Перестройка СВЧ-резонаторов производится с помощью штырей, плунжеров, короткозамыкающих поршней, пластин и гибких диафрагм.

Согласованные нагрузки предназначены для подключения к СВЧ-тракту, чтобы поглотить падающую волну и устранить тем самым отражения СВЧ-колебаний. Они выполняются в виде отрезка длинной линии, который имеет активное сопротивление, равное сопротивлению линии ().

Измерительные линии представляют собой отрезок длинной линии с прорезью для введения зонда детекторной секции. В прорезь отрезка длинной линии вводится зонд, который может быть перемещен вдоль линии, что позволяет помещать его в место, где достигается необходимое соотношение между падающей и отраженной волнами и соответственно получаются определенные значения СВЧ-колебаний (максимум, минимум, среднее). Измерительная линия имеет точную градуировку и позволяет измерять многие величины, характеризующие СВЧ-колебания.

Волномеры – устройства для определения частоты или длины волны СВЧ-колебаний (в простейшем случае – это короткозамкнутая измерительная линия с калиброванными размерами элементов). Например, для часто используемого прямоугольного волновода при возбуждении в нем волны типа длина волны равна

,

где – длина волны в вакууме; – относительная диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего волновод; – размер широкой стенки волновода.

2.6.3 Индикаторы и преобразователи радиоволнового излучения

Индикаторы СВЧ-излучения преобразуют распределение плотности СВЧ-энергии в видимое изображение, что позволяет оператору анализировать качество контролируемого объекта. При радиоволновом контроле в качестве индикаторов обычно используются люминофоры и жидкие кристаллы, а регистрация интенсивности СВЧ-излучения чаще всего основана на его преобразовании в низкочастотные или постоянные электрические сигналы.

Люминофоры – это вещества, обладающие свойством светиться при воздействии на них определенных видов излучения, возбуждающих люминофор в оптической части излучения. Это видимое излучение и воспринимает оператор. Однако энергия квантов СВЧ-излучения недостаточна для возбуждения люминофора, поэтому для его возбуждения производится дополнительное облучение вещества люминофора от специального источника с квантами, имеющими большую энергию, например лампой, излучающей ультрафиолетовый свет. Интенсивность излучения вспомогательного источника устанавливают таким образом, чтобы яркость свечения люминофора была средней. Тогда при воздействии СВЧ-излучения условия работы люминофора будут изменяться, и яркость свечения будет зависеть от падающей на люминофор СВЧ-энергии, что позволит наблюдать ее распределение в пространстве.

Жидкие кристаллы имеют молекулярную структуру, промежуточную между жидкостью (обладают текучестью) и твердым телом (аномальные оптические свойства). Для целей неразрушающего контроля применяют холестерические жидкие кристаллы. Тонкий слой жидкого кристалла в зависимости от его температуры и угла наблюдения имеет наибольший коэффициент отражения для света определенной длины волны. Поэтому, если освещать пленку на основе жидкого кристалла белым светом и фиксировать угол наблюдения, при изменении температуры можно получить максимум интенсивности отражения для различных цветов – компонентов белого света. Чтобы улучшить условия наблюдения, жидкий кристалл наносится на пленку с зачерненной основой, что повышает контрастность изображения и устраняет помехи за счет вторичного отражения. При проведении контроля пленку накладывают на контролируемый объект и по цветной окраске оператор судит о температуре в той или иной части объекта, обусловленной нагревом его СВЧ-излучения. Чувствительность неразрушающего контроля с помощью жидких кристаллов при прочих равных условиях определяется числом различаемых оператором градаций цвета. Для некоторых жидких кристаллов на основе холестерина окраска отраженного света изменяется по всему спектру от красного до фиолетового при изменении температуры на 1–3 К, что дает возможность оценивать разрешающую способность проведения контроля с их помощью 0,1–0,2 К. Тепловые переходы в жидких кристаллах обратимы, поэтому индикаторы на их основе можно использовать многократно. По сравнению с другими термоиндикаторами жидкие кристаллы особенно эффективны, когда необходимо отличать малые градиенты температур при невысоких температурах (283–393 К).

Измерительные преобразователи (первичные измерительные преобразователи, датчики) производят преобразование компонентов СВЧ-излучений и полей в электрические сигналы, удобные для последующей обработки. В качестве первичных измерительных преобразователей применяют: полупроводниковые и термоэлектрические приборы. Полупроводниковые приборы (СВЧ-диоды и транзисторы) построены на базе -перехода и за счет его нелинейных свойств дают возможность преобразовать СВЧ-колебания в сигналы постоянного тока, видеосигналы или сигналы более низкой частоты (преобразование частоты). При выпрямлении СВЧ-колебаний получают видеосигналы или сигналы низкой частоты (выделение огибающей СВЧ-колебаний) и постоянную составляющую выпрямленного тока, что используется для непосредственной индикации сигналов магнитоэлектрическими микроамперметрами. Когда полупроводниковые диоды используются в качестве смесителя для преобразования частоты, огибающая СВЧ-колебаний и их фаза переносятся на пониженную несущую (разностную) частоту, обработка сигнала производится радиоэлектронной техникой, имеющей лучшие технические и метрологические показатели. В аппаратуре радиоволнового контроля наибольшее применение получили СВЧ-диоды. Термоэлектрические приборы (терморезисторы, термисторы и болометры) используют тепловое действие СВЧ-энергии, поэтому их изготавливают из материалов, хорошо преобразующих тепловые изменения в электрические сигналы.

Полупроводниковый СВЧ-диод – это точечный диод, специально предназначенный для применения в СВЧ-диапазоне. Его конструкция чаще всего выполняется в виде коаксиальных форм с толстыми и короткими элементами – выводами, удобными для монтажа и электрического соединения с канализирующими СВЧ-устройствами (волноводами, длинными линиями). Учитывая, что СВЧ-диод и элементы секции (обычно параметры СВЧ-диодов задают вместе с волноводной секцией) имеют паразитные индуктивности и емкости, ограничивающие его возможности, для каждого диода указывают рабочий диапазон длин волн и наибольшее значение КБВ, получаемое при его использовании. Полупроводниковые диоды по сравнению с другими первичными измерительными преобразователями СВЧ-энергии отличают высокое быстродействие, большая чувствительность и простота использования. Их недостаток – невысокие метрологические характеристики и плохая перегрузочная способность.