Способ определения комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей радиопоглощающих материалов

 

Использование: для определения комплексных диэлектрической и магнитной проницаемости радиопоглощающих материалов. Сущность изобретения: на кольцевые образцы воздействуют СВЧ-сигналом и измеряют модуль коэффициента отражения. При этом снимают зависимость модуля коэффициента отражения от толщины образца и, в зависимости от вида этой зависимости, по приведенным соотношениям определяют магнитную и диэлектрическую проницаемость образца. 3 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для определения комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей радиопоглощающих материалов.

Известен способ определения комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей радиопоглощающих материалов (РПМ) ε μ, заключающийся в изготовлении кольцевых образцов по профилю коаксиального блока измерений, установке этих образцов в коаксиальном блоке измерений, последующем измерении в первом опыте комплексного электрического сопротивления Z_e при включении образца в электрическую цепь, измерении во втором опыте для кольцевого образца двойной толщины комплексного электрического сопротивления Z_mn², обусловленного выключением образца в качестве сердечника катушки, содержащей n витков, и дальнейшем аналитическом расчете комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей образца ε μ по формулам λ, (1) m arcth , n arcth T , τ Arg где r₁ внутренний радиус кольцевого образца; r₂ внешний радиус кольцевого образца; d толщина образца; λ длина волны.

К недостаткам способа относятся его ограничения по определению значений комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей радиопоглощающих материалов по величине от десятых долей единиц до десятков единиц и диапазону длин волн от 0,3 м до 15 м, что обусловлено принципиальными ограничениями измерителей полных сопротивлений типа РЗ.

Цель изобретения обеспечение возможности определения значений комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей радиопоглощающих материалов ε μ по величине от сотых долей до нескольких сотен единиц в диапазоне длин волн от 0,025 до 30 м.

Существо предлагаемого способа заключается в измерении зависимости от толщины образца модуля коэффициента отражения по мощности на фиксированной длине волны СВЧ-сигнала и последующем расчете ε ε₁ + j ε₂ μ μ₁ + j μ₂ для экспоненциальной зависимости коэффициента отражения от толщины образца по следующим формулам: ε₁=0, μ₁=0.

⁼ , arcth (2)
μ₂= · ε₂= / для осциллирующей зависимости коэффициента отражения от толщины образца по следующим формулам:
ε₂=0, μ₂=0,
.

arctg+ n (3)
μ₁= · ε₁= /
где d толщина образца;
R коэффициент отражения по мощности;
R_f коэффициент Френеля по мощности;
λ длина волны. и выбор номера n=0,1,2. определяется по критерию минимума среднеквадратического отклонения измеренных значений коэффициента отражения от рассчитанных, и дальнейшем уточнении переменных ε₁, ε₂, μ₁, μ₂ по критерию минимума среднеквадратического отклонения измеренных значений коэффициента отражения от рассчитанных.

Предлагаемый способ основывается на следующем. Во-первых, измеренную зависимость от толщины образца величины модуля коэффициента отражения по мощности для фиксированной длины волны СВЧ-сигнала можно классифицировать на зависимость экспоненциального типа или зависимость осциллирующего типа. Во-вторых, явление отражения в коаксиальной линии со скачкообразным изменением параметров среды не отличается от подобного явления, возникающего при нормальном падении плоской волны на границу раздела двух сред, что позволяет воспользоваться при расчете строгим решением соответствующей задачи дифракции.

Рассматривая отражение от одного плоского слоя с воздушной "подложкой", можно записать следующие уравнения:
R (4)
R_f= , (5) где R коэффициент отражения по мощности;
R_f коэффициент Френеля по мощности;
d толщина слоя;
λ длина волны СВЧ-сигнала.

ε ε₁ + j ε₂ μ μ₁ + j μ₂.

Заметим, что при ε₁=0 и μ ₁=0 следует
, (6) а при ε₂=0 и μ₂=0 получаем
(7)
Заметим далее, что уравнение (6) описывает экспоненциальную зависимость, а уравнение (7) осциллирующую зависимость коэффициента отражения от толщины образца. Следовательно, если измеренная зависимость модуля коэффициента отражения от толщины образца имеет экспоненциальный характер, то ε₁<< ε₂, μ₁<< μ₂. Если эта зависимость является осциллирующей, то ε₂< < ε₁, μ₂<< μ₁. Указанное обстоятельство дает возможность в первом приближении положить нулевыми значения двух из четырех параметров, описывающих комплексные диэлектрическую и магнитную проницаемости образца, а два оставшихся параметра определить из уравнений для коэффициента Френеля и коэффициента отражения от плоскопараллельного покрытия. Полученное таким образом первое приближение значений ε μ можно уточнить в дальнейшем численными методами.

На фиг. 1 представлена совокупность операций, составляющих существо известного способа (прототипа); на фиг.2 совокупность операций предлагаемого способа.

Цифрами на фигурах обозначены следующие операции.

Известные операции: 1 изготовление кольцевых образцов по профилю коаксиального блока измерений; 2 установка образцов в коаксиальный блок измерений; 3 включение образца в электрическую цепь; 4 облучение образца СВЧ-сигналом; 5 измерение комплексного электрического сопротивления образца Z_e; 6 установка образца двойной толщины в коаксиальный блок измерений; 7 выключение образца в качестве сердечника катушки, содержащей n витков; 8 измерение комплексного электрического сопротивления Z_mn²; 9 расчет комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей образца ε μ по формулам (1).

Новые операции: 10 измерение зависимости модуля коэффициента отражения образца по мощности от его толщины; 11 расчет первого приближения ε μ; 12 уточнение значений ε μ.

Операция 10 осуществляется с помощью панорамного измерителя КСВН типа Р2. Операция 11 осуществляется путем вычислений по формулам (2) и (3). Операция 12 осуществляется путем расчета по формулам метода поочередного уточнения переменных [6] по критерию минимума среднеквадратического отклонения измеренных значений коэффициентов отражения от рассчитанных. Расчет коэффициентов отражения осуществляется по формуле (4).

На фиг.3 приведены сравнительные результаты определения комплексных проницаемостей ε μ предлагаемым методом. В экспериментах использовалась смесь бумаги с водой (50 г бумаги, 80 г воды). При измерении коэффициента отражения образца на металлической подложке был получен максимум коэффициента отражения на длине волны 10 см при толщине смеси 2,2 мм. По известной формуле [4] было получено
Re{} λ/(4d) 11,3.

На фиг. 3 изображена зависимость модуля коэффициента отражения по мощности от толщины данной смеси на длине волны 10 см с согласованной нагрузкой. Сплошной линией изображена зависимость модуля коэффициента отражения по мощности от толщины однослойного РПМ с "воздушной" подложкой, полученная на основе точного решения задачи дифракции с использованием рассчитанных предложенным методом значений ε μ. Приведены рассчитанные значения ε μ. Крестиками обозначены измеренные значения коэффициента отражения по мощности, использованные при расчете ε μ. Пунктирной линией показан измеренный коэффициент Френеля. Согласие с экспериментом очень хорошее, причем для рассчитанных предложенным методом значений ε, μ Re{} 11}.

Представленные результаты иллюстрируют работоспособность предлагаемого способа определения комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей РПМ.

Преимущество предложенного способа в сравнении с прототипом заключается в обеспечении возможности определения значений комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей радиопоглощающих материалов по величине от сотых долей до нескольких сотен единиц и расширении диапазона длин волн от 0,025 до 30 м.

Другим достоинством предлагаемого способа является простота его реализации путем использования широко распространенных панорамных измерителей КСВН типа Р2 и любой вычислительной техники.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЕЙ РАДИОПОГЛОЩАЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ, включающий воздействие СВЧ-сигналом на кольцевые образцы и измерение модуля коэффициента отражения, отличающийся тем, что определяют вид зависимости модуля коэффициента отражения от толщины образца, а затем определяют ε = ε₁+jε₂ и μ = μ₁+jμ₂ для экспоненциальной зависимости коэффициента отражения от толщины образца из выражений
ε₁= 0; μ₁= 0;



а для осциллирующей зависимости коэффициента отражения от толщины образца из выражений
ε₂= 0; μ₂= 0;




где ε,μ диэлектрическая и магнитная проницаемость образца соответственнно;
d толщина образца;
R коэффициент отражения;
R_f коэффициент Френеля;
l длина волны СВЧ-сигнала;
n натуральный параметр, определяемый по критерию минимума среднеквадратического отклонения измеренных значений коэффициента отражения от рассчитанных по формуле

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3