eng
Выпуск #4/2016
Д.Овсов
Исследование характеристик диэлектрических покрытий антенн с помощью векторного анализатора цепей
Исследование характеристик диэлектрических покрытий антенн с помощью векторного анализатора цепей
Просмотры: 3229
В статье описывается, как с помощью программно-аппаратного комплекса измерения диэлектрических свойств материала, построенного на базе векторного анализатора цепей Rohde&Schwarz, можно определить коэффициенты прохождения и отражения защитных покрытий антенн.
Теги: antennas dielectric coating hardware and software unit rohde & schwarz vector network analyzer векторный анализатор цепей rohde & schwarz диэлектрическое покрытие антенн программно-аппаратный комплекс
Электромагнитная энергия, излучаемая или принимаемая антенной, частично проходит через диэлектрик, а частично поглощается и отражается им. При выборе материала обтекателя следует стремиться к достижению максимального коэффициента прохождения и к минимальным искажениям фазового фронта прошедшей волны.[1]
При расположении покрытия в дальней зоне поля излучения антенны защита представляет собой плоский слой полупроводящего материала. В этом случае для расчета коэффициентов прохождения и отражения электромагнитной волны в диэлектрическом покрытии используют следующие формулы [1]:
; (1)
, (2)
где коэффициент отражения Френеля соответственно для параллельной и перпендикулярной поляризации:
, (3)
, (4)
θ – угол, под которым падает электромагнитная волна на диэлектрическое покрытие; – коэффициент фазы; – коэффициент затухания; λ – длина волны в свободном пространстве; ε – относительная диэлектрическая проницаемость материала покрытия толщиной d; tg δ – тангенс диэлектрических потерь этого материала.
Выражения (1) и (2) являются основополагающими для аналитических оценок радиопрозрачности плоской диэлектрической защиты антенны, находящейся в дальней зоне поля излучения. Из этих выражений видно, что ключевым фактором, влияющим на характеристики покрытия, являются относительная диэлектрическая проницаемость ε и тангенс диэлектрических потерь tgδ материала, одному из методов измерения которых посвящено данное исследование.
В зависимости от условий эксплуатации антенн применяют различные СВЧ диэлектрические покрытия. Широкое распространение в настоящее время получили стеклопластики, которые по своим физико-механическим свойствам превосходят другие пластмассы, такие как метакрилат, полистирол, политен. Наполнителем стеклопластика является неорганическое вещество. Связующее вещество имеет пористую структуру и характеризуется неоднородными свойствами. При работе его в условиях морской воды и дождей со временем происходит заполнение пор влагой, что ведет к изменениям свойств материала.
Стеклопластики обладают приемлемыми значениями ε и tgδ в сантиметровом диапазоне волн. В качестве связующих в них используется фенолформальдегидная, эпоксидно-кремнийорганическая и эпоксидно-фенольная смолы, сополимеры дивинила со стиролом и т. д. Наполнителями являются различные типы стеклотканей. Диэлектрическая проницаемость таких стеклопластиков лежит в пределах от трех до восьми. С увеличением объемного содержания стекла значение ε покрытия растет, а tgδ незначительно падает. В качестве образца исследуемого материала в нашем случае выбран один из видов стеклопластика – лист размером 500 × 500 × 10 мм.
Для неразрушающего измерения диэлектрических параметров материалов применяют программно-аппаратный комплекс DAK (Dielectric Assessment Kit), разработанный швейцарской компанией SPEAG. Измерительный комплекс DAK состоит из коаксиального пробника, векторного анализатора цепей и специализированного ПО (рис.1).
Комплекс DAK является оптимальным решением для измерения диэлектрических параметров жидкостей и гелей. Геометрическая форма пробников позволяет минимизировать искажения электромагнитного поля в области измерения. В случае измерения твердых материалов образец должен иметь достаточно ровную поверхность (зазор между образцом и пробником должен быть не более 50 мкм), а также обладать достаточной толщиной, чтобы основная энергия электромагнитного поля распространялась в материале, а не в воздушной прослойке между пробником и образцом и в воздухе за образцом.
Преимуществами комплекса DAK являются высокая скорость измерений, портативная конструкция, широкий диапазон частот (от 200 МГц до 20 ГГц в используемой конфигурации), а также простота калибровки и работы с ПО. Для измерений используется один порт векторного анализатора цепей. Калибровка проводится на конце пробника, на его поверхности.
В процессе калибровки выполняются следующие шаги:
• калибровка на холостой ход, которая выполняется на открытом конце пробника в воздухе (рис.2);
• калибровка на короткое замыкание: блок короткого замыкания с медной фольгой, монтируемый на поверхности пробника, работает как стандарт короткого замыкания, обеспечивая необходимое давление (рис.3);
• калибровка на нагрузку проводится погружением пробника в жидкость с известными диэлектрическими характеристиками, например, воду.
При измерении свойств диэлектрического материала необходимо обеспечить устойчивый контакт пробника с образцом (рис.4). Пробники, используемые в комплексе DAK, легко сочетаются в работе с целым рядом векторных анализаторов цепей Rohde & Schwarz, в частности моделями серии ZNB. С помощью ПО, поставляемого с комплексом DAK, можно управлять векторным анализатором цепей. Результат измерений отображается в различных форматах, включая диаграмму Смита, таблицу и диаграмму Коула-Коула.
На основе результатов измерения диэлектрической проницаемости и тангенса диэлектрических потерь материала, были рассчитаны коэффициенты отражения (S11) и прохождения (S12) электромагнитной волны для исследуемого образца диэлектрика для параллельной и перпендикулярной поляризации (рис.5–8).
Для обеспечения максимального прохождения волны через обтекатель электрическая толщина его должна быть равной или кратной половине длины волны в диэлектрике, из которого изготавливается данный обтекатель. Из полученных результатов следует, что минимальное отражение электромагнитной волны для исследуемого диэлектрика соответствует частотам 6 290 и 12 220 МГц.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бестугин А.Р., Горбацкий В.В., Красюк В.Н. Аналитические и экспериментальные исследования влияния диэлектрических покрытий на излучение апертурных антенн // Информационно-управляющие системы. 2007. № 6. С. 34–40.
2. Завьялов А.С., Дунаевский Г.Е. Измерение параметров материалов на сверхвысоких частотах. – Томск: ТГУ, 1986. С. 24–31, 141–148.
3. Ворошин М.Я., Карманов И.Н., Кошелев А.В. и др. Физика нагрева СВЧ-диэлектриков летательных аппаратов и их защита. Монография. – Новосибирск, 2008.
4. https://www.rohde-schwarz.ru/products/test_and_measurement/Measurement_properties_materials
--------------------------------------------------------------------------------
[1] 1 Инженер ООО "Авангард", ovsov_denis@mail.ru.
При расположении покрытия в дальней зоне поля излучения антенны защита представляет собой плоский слой полупроводящего материала. В этом случае для расчета коэффициентов прохождения и отражения электромагнитной волны в диэлектрическом покрытии используют следующие формулы [1]:
; (1)
, (2)
где коэффициент отражения Френеля соответственно для параллельной и перпендикулярной поляризации:
, (3)
, (4)
θ – угол, под которым падает электромагнитная волна на диэлектрическое покрытие; – коэффициент фазы; – коэффициент затухания; λ – длина волны в свободном пространстве; ε – относительная диэлектрическая проницаемость материала покрытия толщиной d; tg δ – тангенс диэлектрических потерь этого материала.
Выражения (1) и (2) являются основополагающими для аналитических оценок радиопрозрачности плоской диэлектрической защиты антенны, находящейся в дальней зоне поля излучения. Из этих выражений видно, что ключевым фактором, влияющим на характеристики покрытия, являются относительная диэлектрическая проницаемость ε и тангенс диэлектрических потерь tgδ материала, одному из методов измерения которых посвящено данное исследование.
В зависимости от условий эксплуатации антенн применяют различные СВЧ диэлектрические покрытия. Широкое распространение в настоящее время получили стеклопластики, которые по своим физико-механическим свойствам превосходят другие пластмассы, такие как метакрилат, полистирол, политен. Наполнителем стеклопластика является неорганическое вещество. Связующее вещество имеет пористую структуру и характеризуется неоднородными свойствами. При работе его в условиях морской воды и дождей со временем происходит заполнение пор влагой, что ведет к изменениям свойств материала.
Стеклопластики обладают приемлемыми значениями ε и tgδ в сантиметровом диапазоне волн. В качестве связующих в них используется фенолформальдегидная, эпоксидно-кремнийорганическая и эпоксидно-фенольная смолы, сополимеры дивинила со стиролом и т. д. Наполнителями являются различные типы стеклотканей. Диэлектрическая проницаемость таких стеклопластиков лежит в пределах от трех до восьми. С увеличением объемного содержания стекла значение ε покрытия растет, а tgδ незначительно падает. В качестве образца исследуемого материала в нашем случае выбран один из видов стеклопластика – лист размером 500 × 500 × 10 мм.
Для неразрушающего измерения диэлектрических параметров материалов применяют программно-аппаратный комплекс DAK (Dielectric Assessment Kit), разработанный швейцарской компанией SPEAG. Измерительный комплекс DAK состоит из коаксиального пробника, векторного анализатора цепей и специализированного ПО (рис.1).
Комплекс DAK является оптимальным решением для измерения диэлектрических параметров жидкостей и гелей. Геометрическая форма пробников позволяет минимизировать искажения электромагнитного поля в области измерения. В случае измерения твердых материалов образец должен иметь достаточно ровную поверхность (зазор между образцом и пробником должен быть не более 50 мкм), а также обладать достаточной толщиной, чтобы основная энергия электромагнитного поля распространялась в материале, а не в воздушной прослойке между пробником и образцом и в воздухе за образцом.
Преимуществами комплекса DAK являются высокая скорость измерений, портативная конструкция, широкий диапазон частот (от 200 МГц до 20 ГГц в используемой конфигурации), а также простота калибровки и работы с ПО. Для измерений используется один порт векторного анализатора цепей. Калибровка проводится на конце пробника, на его поверхности.
В процессе калибровки выполняются следующие шаги:
• калибровка на холостой ход, которая выполняется на открытом конце пробника в воздухе (рис.2);
• калибровка на короткое замыкание: блок короткого замыкания с медной фольгой, монтируемый на поверхности пробника, работает как стандарт короткого замыкания, обеспечивая необходимое давление (рис.3);
• калибровка на нагрузку проводится погружением пробника в жидкость с известными диэлектрическими характеристиками, например, воду.
При измерении свойств диэлектрического материала необходимо обеспечить устойчивый контакт пробника с образцом (рис.4). Пробники, используемые в комплексе DAK, легко сочетаются в работе с целым рядом векторных анализаторов цепей Rohde & Schwarz, в частности моделями серии ZNB. С помощью ПО, поставляемого с комплексом DAK, можно управлять векторным анализатором цепей. Результат измерений отображается в различных форматах, включая диаграмму Смита, таблицу и диаграмму Коула-Коула.
На основе результатов измерения диэлектрической проницаемости и тангенса диэлектрических потерь материала, были рассчитаны коэффициенты отражения (S11) и прохождения (S12) электромагнитной волны для исследуемого образца диэлектрика для параллельной и перпендикулярной поляризации (рис.5–8).
Для обеспечения максимального прохождения волны через обтекатель электрическая толщина его должна быть равной или кратной половине длины волны в диэлектрике, из которого изготавливается данный обтекатель. Из полученных результатов следует, что минимальное отражение электромагнитной волны для исследуемого диэлектрика соответствует частотам 6 290 и 12 220 МГц.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бестугин А.Р., Горбацкий В.В., Красюк В.Н. Аналитические и экспериментальные исследования влияния диэлектрических покрытий на излучение апертурных антенн // Информационно-управляющие системы. 2007. № 6. С. 34–40.
2. Завьялов А.С., Дунаевский Г.Е. Измерение параметров материалов на сверхвысоких частотах. – Томск: ТГУ, 1986. С. 24–31, 141–148.
3. Ворошин М.Я., Карманов И.Н., Кошелев А.В. и др. Физика нагрева СВЧ-диэлектриков летательных аппаратов и их защита. Монография. – Новосибирск, 2008.
4. https://www.rohde-schwarz.ru/products/test_and_measurement/Measurement_properties_materials
--------------------------------------------------------------------------------
[1] 1 Инженер ООО "Авангард", ovsov_denis@mail.ru.
Отзывы читателей
