ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ОТКЛИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ НАНОУГЛЕРОДА В МИКРОВОЛНОВОМ ЧАСТОТНОМ ДИАПАЗОНЕ

ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ОТКЛИКА КОМПОЗИТНЫХ
МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ НАНОУГЛЕРОДА В
МИКРОВОЛНОВОМ ЧАСТОТНОМ ДИАПАЗОНЕ
Цели работы
1. Изучение физических основ работы СВЧ-техники на примере скалярного
анализатора цепей.
2. Измерение S-параметров композитных материалов в диапазоне частот 2637 ГГц.
3. Получение частотной зависимости комплексной диэлектрической
проницаемости композита на основе наноуглерода.
Введение
Настоящая лабораторная работа включает в себя основные аспекты
методологии измерения электромагнитного отклика (коэффициенты
прохождения и отражения) и методику восстановления комплексной
диэлектрической проницаемости материалов в диапазоне частот 26-37 ГГц
(Ka-band). Данный диапазон частот используется для спутниковой связи, а
также в радарах для определения скорости движения удаленного объекта.
Знание диэлектрической проницаемости материалов в исследуемом
диапазоне частот позволяет моделировать электромагнитный отклик
сложных объектов и оптимизировать на этапе проектирования параметры
устройств, работающих в Ka-band.
Скалярный анализатор цепей R2-408R
Панорамный измеритель КСВН (коэффициент стоячей волны по
напряжению, измеренный на входе волноводного тракта прибора) построен
на основе генератора качающейся частоты (ГКЧ), волноводного
измерительного тракта, блока анализатора и персонального компьютера для
обработки и отображения результатов измерений и дистанционной передачи
результатов измерений. В литературе по СВЧ-технике вместо термина
панорамный измеритель КСВН также часто встречается название скалярный
анализатор цепей.
Физический смысл термина КСВН вытекает из названия. Установку,
используемую в лабораторной работе, можно представить в виде генератора,
линии связи и нагрузки (см. рис 1).
Генератор
⋅
⋅
Un
U0
ZH
Рис.1. Эквивалентная схема установки.
При измерении электромагнитного отклика часть энергии отражается
от нагрузки и в виде отраженной волны возвращается к генератору. Таким
образом, в результате сложений падающей (волна идущая от генератора к
нагрузке) и отраженной волн возникает стоячая волна (см. рис. 2) со своими
максимумом и минимумом напряжения. При этом
Umax = Uпад + Uoтр,
Umin = Uпад - Uoтр
Тогда
K КСВН =
U max U пад + U отр
=
U min U пад − U отр
UΣ
Umax
Umin
Рис.2 Стоячая волна в волноводном тракте.
Скалярный анализатор цепей R2-408R (рис.3) производства компании
Elmika предназначен для проведения измерений модулей коэффициентов
S11(отношение амплитуды отраженной волны к амплитуде падающей волны)
и S21(отношение амплитуд прошедшей и падающей волн) волноводных
устройств и элементов в диапазоне частот 25.96 – 37.5 ГГц в сечении
волновода 7.2*3.4 мм с протоколированием результатов измерений.
Рис.3 Внешний вид панорамного измерителя КСВН и ослабления
R2-408R.
Структурная схема прибора приведена на рис.4. Прибор обеспечивает
измерение КСВН в диапазоне от 1,06 до 5. Предел основной погрешности
установки частоты не превышает ±1 % в нормальных условиях.
Импульс обратного хода
Scalar Network
Analyzer
Блок анализатора
PC
Монитор
USB
Принтер
Волновод
Генератор
Аттенюатор
развязывающий
Согласованная
нагрузка Nr.1
Короткозамыкатель
Детектор
направленный
опорной волны
Детектор
направленный
отраженной
волны
Детектор
направленный
прошедшeй
волны
Диафрагма
/4
Рис.4 Структурная схема прибора
Подготовка прибора для измерения S-параметров
Включите генератор и блок анализатора, а также запустите программу
обработки данных R2408R.exe.
Прибор готов к проведению измерений через 30 мин после его
включения. Оценочные измерения можно проводить через 10 мин. после
включения.
После включения установки, а также при любом изменении частотного
диапазона необходимо осуществлять калибровку прибора.
Калибровка прибора для измерения коэффициента передачи
При калибровке прибора для измерения коэффициента передачи
выполните следующие операции:
Соберите волноводный тракт согласно схеме (рис. 5).
Ручками установки частоты на лицевой панели генератора установите
необходимый для работы диапазон качания частоты, а затем нажмите кнопку
RANGE HOLD (ЗАХВАТ ДИАПАЗОНА) (6) на виртуальной панели прибора,
кнопка Fi (5) нажата (нажата по умолчанию), т.е. используется
калиброванная частотная шкала.
Рис. 5. Схема соединения при калибровке прибора для измерения
коэффициента передачи
Выберите пункт «Normalisation»(«Нормал.») (1) в ринге "Calibration"
(«Калибровка»). На экране появится сообщение "Prepare for transmission
calibration" ("Подготовтесь к калибровке по передаче").
Нажмите кнопку «ОК» и ждите завершения операции. Во время
калибровки ринг «Calibration» («Калибровка») мигает, а о завершении
калибровки свидетельствует изменение цвета индикатора «Т» с красного на
зеленый.
Установите ринг "Measurement"(Измерения) (2) в положение
«Transmission»(«Коэффициент передачи»).
Непосредственно после калибровки, показания экрана индикатора в
диапазоне частот будут представлены прямой со значением «1», то есть
коэффициент передачи равен 1 при нажатой кнопке «lin» или «0» - если
нажата кнопка «log», то есть ослабление равно 0 дБ.
Калибровка завершена. После этого можно проводить измерения
коэффициента прохождения.
При любых изменениях волноводной схемы прибора необходимо
выключать генерацию СВЧ. Для этого необходимо нажать тумблер
«ВКЛ. ГЕН.» не лицевой панели генератора.
Калибровка прибора для измерения КСВН и коэффициента отражения
Проводится по схеме рис.6 путем последовательного подключения к
выходу детектора направленного отраженной волны "А" плоского
короткозамыкателя (Short) и вставки λ/4 с плоским короткозамыкателем
(Open), которая имитирует разомкнутую линию передачи. Каждая из
измеренных характеристик запоминается и для каждой частотной точки
вычисляются их средние значения, которые запоминаются как
калибровочная кривая коэффициента отражения.
Калибровка по отражению выполняется в следующем порядке:
Подсоедините короткозамкнутую нагрузку согласно схеме (рис. 6.).
Выберите пункт «SHORT» (К.З.) в ринге "Calibration" («Калибровка»)
(1). На экране компьютера появится сообщение "Connect short circuit"
("Подсоедините короткозамкнутую нагрузку"). Так как нагрузка уже
подсоединена, нажмите кнопку «ОК» и ждите завершения операции. О
завершении операции свидетельствует прекращение мигания ринга
"Calibration" («Калибровка»).
Отсоедините плоский короткозамыкатель и подсоедините к выходу
детектора направленного отраженной волны "А" вставку "λ/4" совместно с
плоским короткозамыкателем, что соответствует подключению к выходу
детектора направленного короткозамыкателя со сдвинутой на четверть волны
плоскостью короткого замыкания. Выберите пункт «OPEN» (Х.Х.) в ринге
"Calibration" («Калибровка»). На экране появится сообщение «Connect open
circuit» («Подсоедините нагрузку холостого хода»). Так как нагрузка уже
подсоединена, нажмите кнопку «ОК» и ждите завершения операции.
О завершении операции свидетельствует прекращение мигания ринга
"Calibration" («Калибровка»).
Завершение калибровки осуществляется выбором пункта «Average»
(«Усредн.») в ринге "Calibration" («Калибровка»). После завершении
калибровки индикатор «R» меняет свой цвет с красного на зеленый.
Выберите в ринге «Measurement»(«Измерения»)(2) пункт «Reflection»
(«Коэффициент отражения»).
Непосредственно после калибровки, при не отключенном
короткозамыкателе, показания экрана индикатора в диапазоне частот будут
представлять собой частотную характеристику близкую по значению к «1»
при нажатой кнопке «Lin.» («Лин.») или к «О» - если нажата кнопка «Log.»
(«Лог.») (3). При переходе в режим измерения КСВН (при нажатой кнопке
«VSWR»(«KCBH») (4)) результат измерения КСВН короткозамыкателей
находится за верхним пределом экрана.
Отсоедините вставку "λ/4" и короткозамыкатель.
Прибор подготовлен к измерению КСВН и коэффициента отражения.
При любых изменениях волноводной схемы прибора необходимо
выключать генерацию СВЧ. Для этого необходимо нажать тумблер «ВКЛ.
ГЕН.» не лицевой панели генератора.
Внимание! Осуществлять калибровку прибора каждый раз после
изменения диапазона качания частоты генератора, т.к. при любом изменении
частотного
диапазона
происходит
перерасчет
корректирующих
коэффициентов для данного частотного диапазона.
Рис. 6. Схема соединения при калибровке прибора для измерения
коэффициента отражения.
Методика восстановления диэлектрической проницаемости
На рис. 7 представлена модель взаимодействия излучения с веществом.
На образец в волноводе подает излучение, скалярный анализатор цепей
фиксирует амплитуду прошедшей (S21) и отраженной (S11) волн.
Рис. 7. Схема эксперимента и модель взаимодействия электромагнитного
излучения в волноводе с веществом.
Запишем уравнения для волн в волноводе в областях I II и III [2]:
πx

jk z z
− jk z z
 , z ≥ 0
ψ I = cos( a ) C1e + C2 e

πx

jk z
− jk z
ψ II = cos( ) C2 e z 2 + C3e z 2  ,τ ≥ z ≥ 0
a

πx

jk z z
ψ III = cos( a )C5 e , z ≥ τ

(1)
Используя условия сшивки на границах областей I-III [3],
Ψ I 0 = Ψ II 0

Ψ II τ = Ψ III τ

∂Ψ
∂Ψ II
 I =
∂r 0
 ∂r 0
 ∂Ψ
 II = ∂Ψ III
∂r τ
 ∂r τ
(2)
получим выражения для неизвестных коэффициентов C и, соответственно,
для S-параметров
S11 =
C2
−[(k z 2 / k z ) 2 − 1]sin(k z 2τ )
=
C1 2 j (k z 2 / k z ) cos(k z 2τ ) + [(k z 2 / k z )2 + 1]sin(k z 2τ )
(3)
S 21 =
C5
2k z 2 / k z
=
C1 −2(k z 2 / k z ) cos(k z 2τ ) + j[(k z 2 / k z ) 2 + 1]sin(k z 2τ )
(4)
kz =
π
4a 2 − λ 2
λa
(5)
kz 2 =
π
4ε a 2 − λ 2
λa
(6)
Решая систему уравнений (3) и (4) относительно ε, получим частотную
зависимость диэлектрической проницаемости.
Требования к образцам
Для измерения электромагнитного отклика с помощью панорамного
измерителя КСВН образцы должны соответствовать следующим
требованиям:
Ширина образца 3.4 мм ( допуск -0.1 мм)
Длина образца 7.2 мм ( допуск -0.1 мм)
Толщина образца >0.5 мм.
Также при измерениях следует учитывать тот факт, что если образец
является хорошим проводником (см. пример с короткозамкнутой нагрузкой),
то возможно полное отражение от образца. В этом случае коэффициент
прохождения
S21=0
и
полное
восстановление
диэлектрической
проницаемости невозможно.
Техника безопасности
Уровень СВЧ-излучений, создаваемых прибором, не более 5⋅10-3 Вт/м2
на расстоянии 1 м от прибора. Для сравнения, уровень излучения мобильного
телефона в среднем равен 10⋅10-3 Вт/м2.
При работе с установкой следует соблюдать правила техники
безопасности при работе с СВЧ-приборами:
• Открытые концы трактов должны быть нагружены согласованными
нагрузками.
• Категорически запрещается смотреть в открытый канал волноводного
тракта при включенном генераторе.
• При изменении схемы измерения, когда фланцы волноводов остаются
открытыми, выключайте тумблер «ГЕН. ГКЧ» генератора, во
избежание облучения оператора или подсоедините к излучающему
фланцу согласованную нагрузку.
1.
2.
3.
4.
Задание
Выполнить калибровку на прохождение
Выполнить калибровку на отражение
Поместить образец в волноводный тракт и выполнить измерения Sпараметров.
По измеренным S-параметрам рассчитать комплексную
диэлектрическую проницаемость.
Контрольные вопросы
1. Что такое КСВН?
2. В чем физический смысл S-параметров?
3. Какая длина волны у излучения частотой 30 ГГц?
4. Какой физический смысл мнимой части диэлектрической
проницаемости.