Устройства РВК
1 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ
2 РЕЗУЛЬТАТ ПАТЕНТНОГО ПОИСКА
3 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
4 МЕТОДЫ РАДИОВОЛНОВОГО КОНТРОЛЯ НА СВЧ
4.1 Общие сведения о радиоволновом контроле
4.2 Классификация методов радиоволнового контроля диэлектрических изделий и материалов
4.3 Измеряемые параметры и принципы измерений РВК
5 ВЫБОР МЕТОДА РАДИОВОЛНОВОГО КОНТРОЛЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ И МАТЕРИАЛОВ
5.1 Выбор метода РВК. Суть и недостатки выбранного метода
5.2 Возможности метода модулированного отражения при технологическом контроле диэлектрических изделий и материалов
6 РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА РВК
7 РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА РВК
8 ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ И КОНСТРУКТИВНО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ СВЧ ТРАКТА
8.1 Выбор и расчет характеристик волновода
8.2 Элементы и устройства волноводных трактов
8.2.1 Изгибы и скрутки волноводов
8.2.2 Конструкция и размеры типовых контактных фланцевых соединений
8.2.3 Волноводное разветвление
8.2.4 Волноводные согласованные поглощающие нагрузки
8.3 Расчет направленного ответвителя
8.4 Резонансный вентиль
8.5 Модулирующий отражатель
8.5.1 Переключательный диод
8.5.2. Диафрагмы в прямоугольном волноводе
8.6 Расчет рупорного облучателя
9 ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РВК ПО МЕТОДУ МОДУЛИРУЮЩЕГО ОТРАЖЕНИЯ
10 КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
10.1 Технические требования
10.1.1 Общие требования
10.1.2 Основные параметры и характеристики
10.1.3 Требования по устойчивости к внешним воздействиям
10.1.4 Требования к конструкции
10.1.5 Требования к надежности
10.1.6 Комплектность
10.1.7 Маркировка
10.1.8 Консервация и упаковка
10.1.9 Требования безопасности
10.1.10 Правила приемки
10.1.11 Транспортирование и хранение
10.1.12 Указания по эксплуатации
10.1.13 Гарантии изготовителя
10.2 Оценка технологичности конструкции КНЭ
10.2.1 Количественные показатели технологичности конструкции изделия
11 РАЗРАБОТКА БИЗНЕС ПЛАНА ПРОЕКТА
11.1 Резюме
11.2 Описание продукта
11.2.1 Назначение
11.2.2 Форма реализации
11.2.3 Технико-эксплуатационные параметры
11.3 План маркетинга
11.3.1 Описание характеристик товара
11.3.2 Достоинства и недостатки товара конкурента
11.3.3 Предполагаемые потребители
11.3.4 Разработка маркетинговых стратегий
11.4 Организационный план
11.5 Производственный план
11.6 Финансовый план
11.6.1 Расчет и анализ экономической эффективности инвестиционного проекта
12 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ И САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ТРУДА НА РАБОЧЕМ МЕСТЕ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ ПЭВМ – РАЗРАБОТЧИКА РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ
12.1 Безопасность труда при эксплуатации проектируемой аппаратуры, разработка средств защиты
12.2 Параметры микроклимата на рабочем месте
12.3 Электрическая опасность
12.4 Требования к пожарной безопасности
12.5 Безопасность труда при работе на установке с использованием источника излучения электромагнитных полей радиочастот
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Высококачественный объект должен отличаться постоянством химического состава, микро- и макроструктурой, электрических и магнитных характеристик материалов, неизменными геометрическими размерами, повышенными механическими и другими свойствами. Для исследования различных свойств изделий, материалов и полуфабрикатов могут быть использованы все известные виды электромагнитных излучений. Особенно успешно можно использовать методы радиоволнового контроля (РВК) материалов на сверхвысоких частотах (СВЧ).
Создание высокоточных и надежных измерителей параметров технологических процессов, способных работать в сложных эксплуатационных условиях, является одной из актуальных проблем.
Таким образом, актуальность проекта обуславливается тем, что применяя средства неразрушающего радиоволнового контроля, можно полностью автоматизировать многие производственные процессы изготовления изделий, повысить производительность и качество выпускаемой продукции.
Целью данного дипломного проекта является разработка устройства для неразрушающего радиоволнового контроля диэлектрических материалов, выполненных в виде пластин, которые в дальнейшем будут использоваться в различных целях.
Задачами дипломного проекта являются разработка конструкции устройства радиоволнового фазометрического контроля радиопрозрачных изделий, выбор метода контроля, разработка конструкции индикаторной части устройства с целью минимизации погрешностей контроля, оценка технической и экономической эффективности.
По техническому заданию к дипломному проекту требуется разработать устройство радиоволнового фазометрического контроля радиопрозрачных диэлектрических пластин (образцов) в условиях лаборатории. Изделия и конструкции из диэлектриков могут иметь в себе дефекты следующих типов:
· нарушения сплошности (расслоения, отслоения, непроклеиность, воздушные включения, трещины и т.п.);
· инородные включения (металлические и диэлектрические с отличными от основного материала диэлектрическими свойствами), имеющие разнообразные формы и размеры;
· структурные неоднородности (изменение плотности и пористости, отсутствие или недостаток связующего, неравномерное распределение вещества – негомогенность состава или смеси, технологические или эксплуатационные проявления анизотропии и т.д.).
Схема устройства должна предусматривать возможность автоматической записи результатов контроля. Контролируемыми параметрами являются электрическая толщина стенки, изменения электрической толщины.
Основными исходными данными являются: длина электромагнитной волны, радиус кривизны стенки в зоне контроля, характерные размеры контролируемого участка стенки, чувствительность фазометрического устройства к изменению электрической толщины. Также известно, что электрическая толщина контролируемых радиопрозрачных стенок θ кратно λ0/2√ε, где ε=2…5 (относительная диэлектрическая проницаемость материала стенки).
Таким образом, был проведен анализ технического задания, из которого был сделан вывод, что для проектирования устройства все нужные данные известны.
Был произведен патентный поиск глубиной 14 лет по материалам патентов России. Источником служил основной индекс МПК. В результате поиска был найден следующий патент:
Устройство для измерения параметров диэлектриков.
Регистрационный номер заявки: 2066457.
Дата публикации: 10.09.1996.
Страна публикации: Россия.
Основной индекс МПК: G01R27/26.
Использование: техника измерений СВЧ параметров материалов и антенных обтекателей.
Сущность изобретения: в устройстве, для измерения параметров диэлектриков вдоль всей образующей антенного обтекателя, достигается высокая точность измерений за счет выполнения приемо-передающей антенны в виде зеркальной двухфокусной антенны, согласованной со свободным пространством использования модулированного отражателя, содержащего модулирующий диод и диафрагму малых размеров, и поглотитель, размещенного внутри исследуемого антенного обтекателя в любой его части.
3 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
В диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) применяются разнообразные по своему назначению и принципу действия приборы, предназначенные для народного хозяйства, военного дела и научных исследований. Существует ряд устройств СВЧ, в которых применяются диэлектрические материалы. Примером таких устройств являются:
· антенные обтекатели и антенные окна летательных аппаратов авиационной, ракетной и космической техники;
· СВЧ антенны (линзовые, диэлектрические, поверхностных волн и т.п.);
· герметизирующие окна, оболочки малых размеров, вставки, заглушки в каналах ненаправленных излучателей;
· генераторные устройства, устройства управления электромагнитным полем, фазовращатели, ограничители мощности, неотражающие нагрузки;
· индикаторные антенны, зонды, контактные индикаторы комплексов для различных физических исследований.
Необходимым применяемым методом обеспечения качества диэлектрических изделий является их радиоволновый контроль (РВК). По условиям дипломного проекта контроль параметров радиопрозрачных образцов (стенок) должен осуществляться при одностороннем подходе, из-за невозможности размещения приемной антенной системы позади исследуемого образца. В связи с этим, одной из задач дипломного проекта является выбор метода РВК и схемы элементной базы. Также, основываясь на выбранном методе, необходимо разработать структурную и принципиальную электрическую схемы, провести конструктивно-электрический расчет основных функциональных устройств СВЧ тракта.
Основной целью дипломного проекта является разработка конструкции СВЧ модулирующей отражающей части устройства с целью минимизации погрешностей контроля в сравнении с существующими методами.
4 МЕТОДЫ РАДИОВОЛНОВОГО КОНТРОЛЯ НА СВЧ
4.1 Общие сведения о радиоволновом контроле
Радиоволновый контроль – это определение методами и средствами измерительной техники на сверхвысоких частотах фактических характеристик и параметров объекта контроля. Получаемая при этом информация дает возможность объективно судить о фактическом состоянии исследуемых изделий и материалов.
Физической основой радиоволнового контроля на СВЧ является взаимодействие электромагнитных волн диапазона СВЧ с объектом контроля. Поэтому возможности и ограничения РВК зависят от вида и относительной интенсивности такого взаимодействия, которое может быть установлено экспериментально методами и средствами измерений на СВЧ.
Все измерения на СВЧ при РВК – это косвенные измерения, так как характеристики и параметры объекта контроля определяются путем соответствующих дополнительных вычислений через измеряемые радиотехнические характеристики электромагнитного поля или радиоволны.
Радиоволновые методы основаны на использовании взаимодействия радиоизлучений с материалами контролируемыми изделиями. Это взаимодействие может носить характер взаимодействия только падающей волны (процессы поглощения, дифракции, отражения, преломления), относящиеся к классу радиооптических процессов или взаимодействия падающей и отраженной волн (интерференционные процессы). Диапазон длин волн, используемых в РВК, составляет 1…100 мм (в вакууме), что соответствует частотам 300…3 ГГц.
Отдельные устройства радиоволнового контроля могут работать на частотах f, выходящих за пределы этого диапазона, однако чаще всего для неразрушающего контроля используют трехсантиметровый диапазон (fср ≈ 10 ГГц) и восьмимиллиметровый диапазон (fср ≈ 35 ГГц). Эти два диапазона наиболее освоенные и обеспеченные хорошим набором элементов и измерительной аппаратурой.
Особенности радиоволн СВЧ диапазона:
· СВЧ диапазон обеспечен большим перепадом мощностей генерируемых волн, что позволяет контролировать материалы и среды различной степени прозрачности;
· радиоволны СВЧ могут быть генерированы в виде когерентных поляризованных гармонических колебаний (волн), а это дает возможность обеспечивать высокую чувствительность и точность контроля, используя интерференционные явления, возникающие при взаимодействии когерентных волн с диэлектрическим слоем;
· с помощью радиоволн СВЧ можно осуществить бесконтактный контроль качества при одностороннем расположении аппаратуры по отношению к объекту;
· радиоволны СВЧ могут быть остро сфокусированы, что позволяет обеспечить локальность контроля, минимальный краевой эффект, помехоустойчивость по отношению к близко расположенным предметам, исключить влияние температуры объекта контроля на измерительные датчики;
· информация о внутренней структуре, дефектах и геометрии содержится в большом числе параметров СВЧ зондирующего сигнала: амплитуде, фазе, коэффициенте поляризации, частоте;
· применение радиоволн СВЧ обеспечивает весьма малую инерционность контроля, что позволяет наблюдать и анализировать быстропротекающие процессы;
· аппаратура СВЧ диапазона может быть выполнена достаточно компактной и удобной в эксплуатации.
С точки зрения теоретической электродинамики задача контроля сред методами СВЧ может быть сформулирована в виде граничной задачи во взаимодействии конкретных типов электромагнитных волн определенного вида поляризации с ограниченными или полуограниченными в пространстве объемами этих сред, имеющими разнообразные геометрические формы, свойства поверхности и диэлектрические свойства, изменяющиеся при изменении структуры сред. Результаты взаимодействия зависят от геометрии объектов контроля от значений их диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, которые, в свою очередь, определяются кристаллической структурой, степенью однородности, влагосодержанием материала объекта контроля и др (1).
4.2 Классификация методов радиоволнового контроля диэлектрических изделий и материалов
По своим характерным признакам радиоволновый контроль может быть разрушающим, неразрушающим (не повреждающим изделие), аналитическим и метрологическим. Наибольшее распространение получили разрушающие и аналитические методы контроля, основное достоинство которых заключается в возможности определять абсолютные параметры и характеристики (в первую очередь прочность) изделий и материалов.
В последнее время все более широкое применение находят неразрушающие физические методы контроля. Им присущи свойства, которыми не обладают разрушающие и аналитические методы контроля, поэтому неразрушающие физические методы контроля могут включаться в технологические процессы производства (5).
Приборы радиоволнового контроля могут быть классифицированы по различным признакам. По информативному параметру различают приборы:
· амплитудные;
· фазовые;
· амплитудно-фазовые;
· поляризационные;
· резонансные;
· лучевые;
· частотные;
· преобразовательные (вид волны);
· спектральные.
По схемам расположения приемника и излучателя энергии СВЧ относительно контролируемого образца могут быть:
· на прохождение (двусторонний доступ);
· на отражение (односторонний доступ);
· комбинированные.
Неразрушающий метод контроля диэлектрических изделий и материалов, размещаемых в свободном пространстве (метода свободного пространства), состоит в сравнении параметров электромагнитной волны, прошедшей через геометрически правильный диэлектрический образец (метод на прохождение), или им же отраженной, с параметрами волны, проходящей то же пространство без образца, либо с волной, отраженной от идеального отражателя (метод на отражение). Данные примеры методов приведены на рисунке 4.1.
Под идеальным отражателем понимается плоский металлический экран, практически не создающий при отражении электромагнитной волны потерь и фазовых искажений её фронта. При измерениях по этой методике диэлектрический образец располагается в свободном пространстве, т.е. он не имеет непосредственного механического контакта с какими-либо узлами измерительной или вспомогательной аппаратуры, кроме элементов крепления самого образца, находящихся практически вне электромагнитного поля и не оказывающих существенного влияния на результаты измерений. Сравнение параметров указанных волн позволяет вычислить собственные параметры диэлектрика. В принципе диэлектрический образец и фазовый фронт падающей электромагнитной волны могут быть любой формы, однако в таком общем случае установить достаточно точную связь между параметрами волны и электрическими параметрами взаимодействующего с ней диэлектрика становится весьма затруднительно. Задача решается достаточно точно для немногих частных случаев.
а)
б)
в)
Рисунок 4.3 – Метод РВК в свободном пространстве:
а – метод на прохождение (двусторонний доступ). Исследуемый образец размещается между приемной и передающей антеннами.
б – метод на отражение (односторонний доступ) с использованием отражателя (металлического экрана). Исследуемый образец размещается на некотором расстоянии от передающей и приемной антенн.
в – метод на отражение (односторонний доступ) с использованием отражателя (металлического экрана). Исследуемый образец размещается на некотором расстоянии от приемопередающей антенны.
Обычно в практике исследований используется так называемое «плосковолновое приближение» – фазовый фронт электромагнитной волны в зоне взаимодействия с диэлектрическим образцом должен быть приближенно плоским. Это приближение приемлемо не только с точки зрения математического описания процесса, но и с технической точки зрения, т.е. возможности формирования приближенно плоской (квазиплоской) волны. Если измеряются параметры волны, проходящей через образец, или волны, отраженной от его передней и задней поверхности, то диэлектрический образец выполняется при этом, как правило, в виде плоскопараллельной пластины. Если же измеряются параметры волны, отраженные только передней поверхностью, то диэлектрическому образцу с теневой стороны придается такая форма (например, форма клина), при которой волны, отраженные задней поверхностью или прошедшие через эту поверхность, не попадают в приемное устройство. В любом случае, чтобы исключить явление дифракции и возникающие при этом дополнительные ошибки измерения, края образца должны находиться вне облучающего электромагнитного поля. С этой целью на образец направляется не безграничная плоская волна, а конечный волновой пучок, при этом размеры самого образца в зоне взаимодействия должны превышать размеры поперечного сечения волнового пучка.
Метод свободного пространства может быть применен в следующих случаях:
· для измерений в миллиметровом и сантиметровом диапазонах, в которых другие (например, резонаторные или волноводные) методы становятся неприемлемыми;
· при исследовании параметров однородных, неоднородных и слоистых листовых материалов, как в условиях лаборатории, так и в производственных условиях, когда изготовление образцов специальной формы из листового материала не целесообразно;
· при исследовании пленочных материалов;
· при исследовании готовых изделий из диэлектриков (например, обтекателей антенн, антенных окон и других радиопрозрачных оболочек), которые нельзя разрушать для изготовления из них образцов, в целях проведения измерений;
· при исследовании диэлектриков в процессе воздействия на них каких-либо внешних факторов: радиации, механических усилий, тепловых потоков, плазменных сред, при которых любая другая измерительная аппаратура, контактирующая с диэлектрическими образцами, становится либо помехой для действия этих факторов, либо сама разрушается под их воздействием (14).
4.3 Измеряемые параметры и принципы измерений РВК
В технике СВЧ для формального описания свойств диэлектриков принято пользоваться несколькими парами параметров, а именно:
· относительной диэлектрической проницаемостью ε и проводимостью материала σ;
· действительной ε′ и мнимой ε″ частями абсолютной комплексной диэлектрической проницаемости:
έа = ε′а- јε″а , (4.1)
· действительной n и мнимой nk частями комплексного коэффициента преломления ń = n(1 - jk) либо коэффициентом преломления n и коэффициентом поглощения k;
· относительной диэлектрической проницаемостью ε и тангенсом угла диэлектрических потерь tg δ.
Между названными параметрами существует однозначная связь, в результате чего одни могут быть выражены через другие, например:
ε′ = εа = εεо; ε″ = σ / w; tgδ = ε″/ ε′ = σ / w εа ; έа = n², (4.2)
где εεо= εа – абсолютная диэлектрическая проницаемость;
εо ≈ 8,86∙10‾ ¹² Ф/м – электрическая постоянная;
έ = έа/εо – относительная комплексная диэлектрическая проницаемость.
Приведенные параметры удобны для описания свойств однородных материалов. Для неоднородных материалов (например, слоистых) либо с дефектами необходимо найти поле электрических параметров (их распределение). В подобных случаях удобно характеризовать не материал с электрическими (ε и tg δ), а изделие, диэлектрический слой с радиотехническими параметрами, в частности комплексными коэффициентами прохождения Т (метод на прохождение) либо отражения R (метод на отражение):
, (4.3)
, (4.4)
где |Т| и |R| - модули комплексных коэффициентов,
φ и ψ – соответственно их фазы.
Так как в практике измерений в большинстве случаев используется квадратичное детектирование, при котором показания токового индикатора пропорциональны мощности детектируемого сигнала, то удобно использовать не модули, а квадраты модулей коэффициентов прохождения и отражения, т.е. |Т|² и |R|². Эти величины обычно называются просто коэффициентами прохождения и отражения по мощности и показывают, какая часть мощности падающей волны проходит или отражается от диэлектрического образца. Величины φ и ψ показывают, как меняется фаза волны при её прохождении или отражении от объекта.
Комплексные коэффициенты T и R являются функцией нескольких переменных, а именно:
Т = f1(ε, tgδ, d/λε), (4.5)
R = f2(ε, tgδ, d/λε), (4.6)
где ε и tg δ – электрические параметры материала;
d – геометрическая толщина образца в зоне измерения;
λε – длина волны в диэлектрике.
При известном отношении d/λε между комплексными величинами T и R и параметрами материала существует определенная аналитическая связь. Поэтому по известным значениям T или R могут быть вычислены ε и tgδ и наоборот. Если материал неоднороден, то измеренные значения T или R позволяют перейти к эффективным значениям электрических параметров εэфф tgδэфф. Значения эффективных электрических параметров зависят не только от толщины пластины и длины волны, но и от угла падения электромагнитной волны, а также от выбранного параметра (T или R), по которому они определяются.
Таким образом, в дипломном проекте будет использовать ряд параметров: электрические – ε и tgδ, относящиеся к однородному материалу; и радиотехнические –T, |T|, |Т|², φ (метод на прохождение), R, |R|, |R|², ψ (метод на отражение), относящиеся к изделию (диэлектрической пластине) из однородного либо неоднородного материала, и, наконец, εэфф и tgδэфф , применяемые иногда для характеристики только неоднородных диэлектрических пластин (например, для слоистых пластин или пластин, подвергающихся действию теплового удара).
Перейдем к рассмотрению известных способов измерения электрических и радиотехнических параметров методом свободного пространства. Если на плоскопараллельную пластину под некоторым углом φпад падает плоская, определённым образом поляризованная, электромагнитная волна, то амплитуда и фаза отраженной и прошедшей волн несут информацию о комплексной диэлектрической проницаемости материала. Соответственно существуют две основные группы методов измерения ε и tgδ в свободном пространстве: первые основаны на наблюдении волн, отраженных диэлектрическим объектом, вторые – прошедших диэлектрический объект.
Как известно, комплексный коэффициент отражения 
границы раздела воздушной и диэлектрической среды определяется формулами Френеля. Эти формулы являются исходными и в теории некоторых методов, основанных на анализе отраженных волн. Как видно, искомая диэлектрическая проницаемость ε связана функциональной зависимостью с φпад , 
,
, которые в принципе могут быть определенны экспериментально (2, 3).
Сравнение результатов работ различных авторов показывает, что минимальная величина tgδ, которую удалось измерить, используя отраженные волны, составляет 0,001 – 0,002, что, видимо, говорит о реально достижимой чувствительности применяемой аппаратуры.
Сравнение комплексных коэффициентов отражения различно поляризованных волн лежит в основе «поляризационного» метода исследования диэлектриков в свободном пространстве. Суть этого метода заключается в следующем. Если на поверхность раздела двух сред падает электромагнитная волна с круговой или эллиптической поляризацией, то отраженная волна меняет поляризационную структуру (4). Комплексный коэффициент поляризации отраженной волны p равен отношению коэффициентов Френеля для параллельно и перпендикулярно поляризованной волны.
. (4.7)
Таким образом, экспериментальное нахождение р, например, по амплитудам вертикальной и горизонтальной составляющих поля и углу ориентации поляризационного эллипса также дает возможность вычислить ε.
Другой вариант поляризационного метода определения ε состоит в измерении угла Брюстера и отношения модулей коэффициентов отражения параллельно и перпендикулярно поляризованных волн. Основная ошибка измерений по углу Брюстера и поляризационными методами обусловлено тем, что теория этих методов учитывает отражение волн только от границы раздела двух сред и предполагает отсутствие внутренних многократных отражений, вызываемых теневой поверхностью образца.
Комплексные коэффициенты прохождения параллельно и перпендикулярно поляризованных волн через границу раздела «свободное пространство - диэлектрик» согласно формулам Френеля записываются в виде:
, (4.8)
. (4.9)
Выражения (4.8), (4.9) позволяют вычислить комплексный коэффициент прохождения волны через плоскопараллельную пластину определенной толщины, по значению которого затем можно найти и ε. Иллюстрацией сказанного может быть методика определения ε, в которой используется тот факт, что модуль коэффициента прохождения является осциллирующей функцией толщины плоской диэлектрической пластины (4). Задача определения ε сводится к экспериментальному нахождению такой толщины, при которой приемная антенной воспринимается максимум или минимум мощности, при этом найденная осциллирующая функция, представляемая графически, позволяет определить и tgδ. Естественно, что определение ε в общем случае может производиться и по одновременно наблюдаемым прошедшей и отраженной волнам.
Радиотехнические параметры T и R функционально связаны с электрическими параметрами ε и tgδ, которые могут быть вычислены по результатам измерений первых. Аналитическая связь между этими параметрами может быть найдена различными способами. В частности, необходимый результат дает последовательное суммирование многих волн, отраженных и прошедших через образец, возникающих в результате многократного переотражения от передней и задней поверхностей образца (8, 9).
Пользуясь упомянутым методом можно найти, что фаза коэффициента прохождения перпендикулярно и параллельно поляризованных волн может быть выражена следующим образом:
, (4.10)
. (4.11)
При нормальном падении волны оба уравнения приводятся к одному.
Для вычисления модуля коэффициента прохождения применяются выражения:
, (4.12)
, (4.13)
, (4.14)
где 
.
При выводе формул (4.10) – (4.14) не учитывались потери в диэлектрике, однако можно показать, что при tgδ ≤ 0,1 их достоверность снижается весьма незначительно (10).
Рисунок 4.4 – Эквивалентный четырехполюсник, отображающий диэлектрическую пластину, находящуюся в свободном пространстве
При нормальном падении волны выражения для вычисления модуля и фазы коэффициента прохождения (или отражения) пластины из диэлектрика с потерями можно получить, используя следующую модель. Диэлектрический слой (рис. 4.4) толщиной d можно представить в виде отрезка линии передачи с комплексным волновым сопротивлением:
, (4.15)
а свободное пространство по обе стороны от пластины в виде линии передачи без потерь с волновым сопротивлением:
. (4.16)
Комплексные коэффициенты отражения и прохождения могут быть найдены при этом волновой матрицы передачи эквивалентного четырехполюсника, образованного двумя скачками волновых сопротивлений (Z02) и отрезком линии с потерями (Ż02). При выводе этих выражений необходимо произвести замену параметров ε и tgδ на n (коэффициент преломления) и k (коэффициент поглощения), причем связь между ними определяется соотношением 
, т.е. 
, откуда:
,
. (4.17)
В развернутом виде полученные выражения для коэффициента прохождения и его фазы имеют следующий вид:
, (4.18)
, (4.19)
для коэффициента отражения и его фазы:
, (4.20)
, (4.21)
где
,
. (4.22)
Из выражений (4.18) – (4.22) находим соответствующие выражения и для диэлектриков без потерь:
, (4.23)
, (4.24)
, (4.25)
. (4.26)
Выражения (4.18) – (4.21), а также (4.23) – (4.26) являются исходными для установления количественной связи электрических и радиотехнических параметров диэлектриков, измеряемых в свободном пространстве при нормальном падении плоской электромагнитной волны.
5 ВЫБОР МЕТОДА РАДИОВОЛНОВОГО КОНТРОЛЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ И МАТЕРИАЛОВ
5.1 Выбор метода РВК. Суть и недостатки выбранного метода
По условиям дипломного проекта, разрабатываемое устройство, предназначенное для неразрушающего контроля качества радиопрозрачных изделий, должно иметь ограниченно-односторонний доступ, из-за невозможности размещения приемной антенной системы позади исследуемого образца. Поэтому, для реализации контроля качества радиопрозрачных изделий (пластин) возникает необходимость использования метода «на отражение».
В применяемом методе исследуемый образец размещается на некотором расстоянии от приемо-передающей антенны, а к задней поверхности образца должна примыкать отражающая поверхность, выполненная из проводящего материала или диэлектрика с значительно большей диэлектрической проницаемостью. В данном случае измеряемым параметром является фаза волнового коэффициента передачи диэлектрического слоя S12=|S12|exp(jφ12), рассматриваемого как эквивалентный четырехполюсник, включенный между источником (передающая антенна) и нагрузкой (отражатель), причем электромагнитная волна падает на исследуемый образец нормально к его поверхности.
В методе «на отражение» искомая величина φ12 вычисляется по измеренному значению комплексного коэффициента отражения системы «диэлектрический образец – отражатель», что связано со значительными погрешностями, вызванными отражениями элементов измерительного тракта и неопределенностью значения коэффициента отражения отражателя, а также дополнительными трудностями, возникающими при наличии заметных потерь в исследуемом образце. Таким образом, в данном методе имеется ряд недостатков и для их устранения предлагается воспользоваться методом модулированного отражения, сочетающего в себе компактность обычного метода «на отражение» и высокую точность измерения, приближающуюся к точности метода «на отражение».
Таким образом, вместо отражающей поверхности, необходимо разработать и установить модулирующий отражатель, который позволит уменьшить погрешности при контроле и наиболее точно определить контролируемыми параметрами диэлектрических материалов.
Метод модулированного отражения в течение многих лет используется в измерительной технике и позволяет осуществлять как фазовые, так и амплитудные измерения. Сущность выигрыша, обеспечиваемого данным методом, можно пояснить следующим образом. Известно, что входной коэффициент отражения произвольного взаимного четырехполюсника, нагруженного на нагрузку с коэффициентом отражения Гн, равен:
Гвх=S11+S212Гн/(1-S22Гн), (5.1)
где S11, S22, S12 – комплексные коэффициенты отражения и передачи четырехполюсника, причем S12 – параметр, подлежащий измерению.
Как видно, информация о параметре S12 в обычном измерении «на отражение» теряется на фоне других отраженных сигналов, так как не отличается от них по структуре. В методе модулированного отражения Гн модулируется по амплитуде или фазе, что позволяет выделить полезный сигнал S212Гн на фоне мешающих немодулированных отраженных сигналов (S11, отражения в СВЧ – тракте и т.д.) и затем непосредственно измерить φ12, выделяя из полного отраженного сигнала ту его часть, которая соответствует основной частоте модуляции Гн.
Очевидно, что необходимым условием реализации метода является малость величины Гн, иначе нарушается прямая связь между измеренным значением Гвх и искомой величиной S12. Однако в реальной установке уменьшение Гн возможно лишь до некоторого предела, связанного хотя бы с ограниченностью мощности СВЧ – генератора и соответствующим увеличением ошибки за счет собственных шумов измерителя.
Суммарная ошибка измерения методом модулированного отражения зависит также от схемного решения фазометрической части измерителя, в особенности от выбора схемы фазового дискриминатора, преобразующего входные СВЧ – сигналы в напряжение низкой частоты (равной частоте модуляции коэффициента отражения отражателя), амплитуда которого зависит от фазового сдвига, вносимого исследуемым образцом, т.е. от φ12.
Рассмотрим характерную ошибку метода, предположив вначале, что основным элементом схемы СВЧ – фазометра является простой суммирующий дискриминатор, состоящий из трехдецибельного моста любой конструкции, на два взаимно развязанных входа которого поступают опорный и измеряемый сигналы, и детектора в одном из выходных плеч моста (рисунок 5.1,а).
Рисунок 5.1 – Фазовые дискриминаторы: а – простой суммирующий; б – балансный (суммо-разностный)
Введем следующие обозначения:
а1=| а1| – амплитуда опорного сигнала на входе фазового дискриминатора;
а2=| а2| exp (j φ12) – комплексная амплитуда измеряемого сигнала на входе исследуемого образца;
S11=S22=|S11| exp (j φ11) – коэффициент отражения образца;
S12= |S12| exp (j φ12) – коэффициент передачи (прохождения) образца;
Гн=Г0(1+m(t)) exp (j φг) – коэффициент отражения модулятора, модулируемый по амплитуде, причем m<1;
а′2= а2S122Гн – комплексная амплитуда измеряемого сигнала на входе фазового дискриминатора.
Поскольку амплитуды сигналов а1 и а2 малы, то можно считать, что детектор фазового дискриминатора работает в режиме квадратичного детектирования и его выходное напряжение равно
U=|a1+a2Гвх|2=|а1|2|1+К(S11+S212Гн/(1-S22Гн))|2≈
≈а21|1+К|S11| expj(φ2+φ11)+K|S212Гн| exp j (2φ12+φг+φ2)+
+К|S212Г2нS11| exp j (2φ12+2φг+φ11+φ2)|2, (5.2)
где