Оперативные резонаторные методы исследования диэлектриков и углепластиков в диапазоне СВЧ Богданов, Николай Сергеевич

Введение к работе

Актуальность работы. Развитие техники СВЧ и антенн в значительной степени связано с расширением использования неметаллических элементов тракта. Важнейшими с точки зрения обеспечения требуемых технических характеристик СВЧ-аппаратуры становятся диэлектрические и углепластические компоненты.

В классе диэлектриков по функциональному назначению можно выделить два основных подкласса материалов: конструкционные диэлектрики, основными параметрами которых являются относительная диэлектрическая проницаемость є_г и тангенс угла диэлектрических потерь tge, а также листовые металлизированные (в том числе фольгированные) материалы, применяющиеся в полосковой технике СВЧ и чаще всего характеризующиеся параметрами выполненной на их основе линии передачи -эффективной диэлектрической проницаемостью є_е и коэффициентом погонного затухания а. Параметрами, наиболее полно отражающими суть использования углепластиков в качестве рефлекторов зеркальных антенн, являются модуль комплексного коэффициента отражения поля при нормальном падении плоской волны |р| и удельная абсолютная (относительная) электрическая проводимость о_а (о_г).

Серьезным недостатком существующих технологий производства указанных СВЧ-материалов является отсутствие выходного контроля их параметров в предполагаемом для использования диапазоне частот. Это приводит к существенному снижению процента выхода годных изделий, отвечающих заданным техническим требованиям и, как следствие, значительно замедляет процесс проектирования и настройки СВЧ-аппаратуры, а также увеличивает ее себестоимость. С точки зрения надежности функционирования дополнительную сложность представляет нестабильность параметров СВЧ-материалов, проявляющаяся при эксплуатации аппаратуры в неблагоприятных условиях, например при воздействии факторов космического пространства, и при длительном складском хранении.

Традиционные способы тестирования диэлектриков можно разделить по используемым инструментальным средствам на 2 группы: волноводные и резонаторные. В обоих случаях образец исследуемого материала размешается внутри закрытого объема, и по изменению соответственно комплексного коэффициента передачи (отражения) или резонансной частоты и добротности относительно исходных (в отсутствие образца) значений рассчитываются величины s_r и tgO. Подобным методам присущ ряд общих недостатков: низкая оперативность, необходимость изготов-

ления образцов специальной формы, высокие требования к соблюдению их заданной геометрии и качеству обработки поверхностей, невозможность локального тестирования. Кроме того, традиционные методы позволяют проводить исследования образцов только неметаллизированных диэлектриков, тогда как в реальных условиях эксплуатации воздействию подвергаются платы полосковых устройств при наличии металлизации по крайней мере одной из сторон, а погонное затухание обусловлено диссипацией энергии не только в диэлектрике подложки, но и в проводниках. Резонаторний способ, не требующий фазовых измерений и обладающий большей чувствительностью, потенциально обеспечивает более высокие точностные показатели.

Рекомендуемые ГОСТами резонаторные методы исследования диэлектриков предусматривают проведение экспериментов, как правило, на частотах не выше 1 ГГц и не учитывают тенденцию развития техники СВЧ более коротковолновых диапазонов.

Вследствие сравнительно недавнего начала использования углепластиков в антенной технике методы определения их параметров развиты недостаточно хорошо, отличаются сложностью организации эксперимента и высокой стоимостью специального оборудования.

Таким образом, в настоящее время существует потребность в разработке методик и установок нового поколения, обеспечивающих быстрое и достоверное тестирование СВЧ-материалов при функционировании в составе производственно-технологического оборудования, при выполнении НИР и ОКР по антенной тематике и при создании информационного банка, содержащего усредненные данные о влиянии эксплуатационных факторов на параметры диэлектриков и углепластиков.

Цель работы - разработка и реализация методов нового поколения для тестирования в диапазоне СВЧ диэлектриков и углепластиков с возможностью быстрого обследования больших партий образцов при минимальных требованиях к их геометрии и точности изготовления. Эта цель достигается в результате проведения работ по следующим основным направлениям:

обобщение и анализ публикаций по данной тематике;

формулировка основных концепций предлагаемых методик;

проектирование, изготовление и настройка специальных узлов тестовых установок;

разработка математического и программного обеспечения;

проведение тестовых экспериментов, сравнение их результатов со справочными данными;

оценка инструментальных и методических погрешностей;

- автоматизация процесса тестирования.

Катода исследования. При выполнении работы использовались теоретические, вычислительные и экспериментальные методы исследования устройств СВЧ. Для построения математических моделей и алгоритмов обработки данных измерений применялись: метод интегральных уравнений с использованием принципа эквивалентности и аппарата собственных функций, проекционная процедура Бубнова-Галеркина, обобщенный метод собственных колебаний, метод эквивалентных схем, матричная теория многополюсников СВЧ, численные методы интегрирования, решения нелинейных уравнений и построения агагроксимационных полиномов. Определение параметров СВЧ-материалов производилось косвенным резонаторним способом по результатам измереїшя частот и добротностей резонансов.

Обоснованность научных пологовий и достоверность результатов обусловлена использованием апробированного способа тестирования радиоматериалов и методов исследования устройств СВЧ. Об эффективности предложенных методов, адекватности разработанных математических моделей реальным условиям экспериментов, отсутствии ошибок в алгоритмах и правильности работы программ можно судить по результатам тестовых экспериментов и расчетов, хорошо совпадающим со справочными данными.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена новая методика неразрушающих исследований конструкционных диэлектриков с помощью коаксиального резонаторного зонда.

2. Разработана новая методика исследования листовых металлизированных и неметаллизированных диэлектриков с использованием резонаторов, выполненных на основе квазисимметричной полосковой линии передачи (квазиСШШ) с применением тонкопленочных плат.

3. Предложена новая методика исследования листовых металлизированных диэлектриков с использованием резонаторов, выполненных на основе несимметричной полосковой линии передачи (НПЛП).

4. Разработана новая методика исследования листовых углепластиков с использованием образцов, выполняющих роль полосковых "проводников" НПЛП резонансной длины.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что разработанные и апробированные методики, алгоритмы и устройства могут найти применение при организации технологического процесса производства диэлектриков и углепластиков с целью выходного контроля их параметров в диапазоне СВЧ, при создании информационного банка, содержащего данные об изменении параметров СВЧ-материалов под дей-

ствием эксплуатационных факторов и при длительном складском хранении, при проведении НИР и ОКР по антенной тематике, а также при решении различных прикладных задач.

Внедрение. Результаты работы внедрены в НПО "Энергия" и ТОО "Конкур, ЛТД", о чем свидетельствуют 2 акта о внедрении.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на XXVII Международной конференции по теории и технике антенн (ТТА-94), г. Москва, 1994 г., на II Международной научно-технической конференции "Направления развития систем и средств радиосвязи" (Воронеж - май 9). г. Воронеж, 1995 г. и на III Всероссийской научно-технической конференции "Фэзироъанные антенные ре -шетки и перспективные средства связи" (ФАР-94), г. Казань, 1994 г.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в статьях и тезисах докладов Ц]-[5]. Еще одна статья принята ь печать, подана заявка на изобретение.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5-ти глав, заключения, 2-х приложений и списка литерзтуры. Работа содержит 193 страницы, из них: 42 страницы рисунков и таблиц, 12 страниц приложений. Список литературы включает 9ь наименований на 10 страницах.

Основные положения, выносимые на защиту:

5. Методика неразрушающих исследований конструкционных диэлектриков с помощью коаксиального резонаторного зонда.

6. Методика исследования листовых металлизированных и неметаллизи-рованных диэлектриков с использованием резонаторов, выполненных на основе квазиСПЛП с применением тонкопленочных плат.

7. Методика исследования листовых металлизированных диэлектриков с использованием резонаторов, выполненных на основе НПЛП.

8. Методика исследования листовых углепластиков.

9. Кострукции резонаторного зонда и измерительных камер.

ь. Пакет прикладных программ, обеспечивающих обработку первичных

экспериментальных данных.

7. Результаты тестовых экспериментов.