Введение к работе
Актуальность темы. Измерение физических величин/ характеризующих энергию электромагнитных излучений на частотах f<1000 ГГц с шумовыми температурами от ~80 К до і О5 К и стационарного излучения от -80 К до «2-3 К, неизменного в течение длительных промежутков времени, относится к области сверхвысокочастотной (СВЧ) радиометрии, микроволновой радиометрии.
СВЧ радиометрия применяется для изучения среды обитания человека и природных ресурсов, медико-биологических исследований, диагностики плазмы, в радиоастрономии, для радионавигации по Солнцу и звездам, радиовидения, измерения параметров антенн, контроля самопроизвольного разогрева хлопка- сырца в бунтах, определения местоположения неоднородности в СВЧ фидере, измерения температуры текстильного полотна из различных волокон. Проводят массовые измерения радиошума - в радиоаппаратуре, транзисторах, интегральных схемах. На базе СВЧ радиометрии разработаны крупные национальные программы, в том числе мониторинга земной поверхности со спутников - украинских ("Січ-3") и российских.
Основным инструментом дистанционных измерений в СВЧ радиометрик является радиоприемник шумоподобных сигналов (СВЧ радиометр) с антенной, которые перед измерениями вместе калибруют в свободном пространстве по источнику с известными параметрами излучения.
Закон излучения абсолютно черного тела САЧТ), открытый в начале 20-го века, стал основой для разработки источников излучения, энергию которого вычисляют с высокой точностью при помоши фундаментального соотношения Планка с физическими величинами (температурой и частотой), измеряемыми независимыми методами. Такие источники называются расчетными излучателями,
В радиодиапазоне и при высоких температурах тел действует
приближение закона Планка - закон Рзлея-Джинса. По закону Рэлея-
Джинса спектральная мощность Р« излучения на длине волны \, выхо
дящего через отверстие площадью S изотермической полости, пропор
циональна спектральной плотности мощности шума СПЇ1Ш G или эквива
лентной шумовой (радиошумовой, радиояркостной) температуре ЭШТ Тш.
В черном теле Тш равна величине термодинамической температуры по
лости Т. Рш = GS/12 или ры = кТш5/А2. (1)
Для реального тела Тш = сТ,
где с < 1 - коэффициент черноты, характеризующий излучательную (поглощательную) способность тела.
к =1,3806*10""23 Дж/К - постоянная Больцмана.
Мощность, переносимая одной шумовой модой в волноводе при температуре Т согласованной нагрузки, равна кТ/2тт. Характеристики распространения волноводных мод являются функциями размеров и Формы поперечного сечения волновода. Следовательно, формула (1) описывает зависимость спектральной мощности излучения от электрических размеров и формы полости и отверстия СВЧ черного тела.
Для численной характеристики энергии излучения измеряют зна
чения G в единицах [Ватт/Герц] или Тш - в единицах [Кельвин],
причем 1 [Вт/Гц] / k = 1 К.
Со времени рождения СВЧ радиометрии С 40-е годы) в отечественной и зарубежной практике традиционно развивались методы калибровки радиометра с антенной по черному телу, имеющему температуру порядка 300 К (или ниже), помещенному в дальней зоне антенны. Основные усилия направлялись на учет посторонних излучений Сот местных предметов. Фона, переотражений от источника и т.п.). В ряде случаев для исключения таких излучений использовали безэховые камеры, весьма дорогостоящие сооружения.
В связи с потребностями техники высоких температур (и энергий) в 1975 году в ГОСТ 8.157-75 была установлена температурная шкала в диапазоне 6300 - 105 К на основе закона Рэлея-Джинса в микроволновом диапазоне длин волн, но не имелось аттестованных точек температуры для этой шкалы. Погрешность измерения радиошумо-вых температур свыше 103 К оценивалась на уровне более 10%.
Для обеспечения'единства и точности измерений в развитых странах создают национальный стандарт (эталон) единицы СШШ (ЭШТ).
В Харьковском государственном НИИ метрологии на основе работ по СВЧ диагностике плазмы в 1980 году был создан государственный эталон единицы температуры в диапазоне 103-105 К по излучению в микроволновой области спектра (номер в реестре государственной регистрации ГЗТ-127-81). Эталон включает расчетные излучатели - микроволновые модели-черного тела и компаратор - СВЧ радиометр с антенной.
При разработке эталона выявились следующие недостатки. . Для создания расчетных излучателей необходимо определять, предельно возможные излучательные характеристики СВЧ черного тела и его минимальные размеры. Проблема размеров особенно обостряется с ростом длины волны в дм диапазон вплоть до 1 м. Такого рода теории' недостаточно разработаны. Существующие теории не позволяли рассчитывать шумовые температуры"апертурных излучателей с плазменными
носителями. Известное в радиоастрономии уравнение измерений не обеспечивало возможности экспериментального нахождения параметров реальных СВЧ моделей черного тела. Отсутствовали методики калибровки радиометра с антенной по черному телу в ближней зоне.
В связи с изложенным актуальной и важной явилась разработка единой системы методов и средств, свободной от указанных недостатков. Система разработана при создании и эксплуатации эталона ГЗТ-127 и привела к повышению точности в СВЧ радиометрии.
С помощью эталонных излучателей и предложенных измерительных методик получены точки шумовой температуры около 103, 104, 105 К при длинах волн 0,8 - 8 си с погрешностью не более 4%. После усовершенствования методики калибровки погрешность снижена до «2%. Температуры І04 К и выше получены с помощью плазменных источников.
Настоящая работа выполнялась в процессе участия автора в следующих плановых темах:
1976-1980 г.г. Разработка эталона ГЭТ-127 (в качестве ответственного исполнителя бюджетной темы 06.01.08.03 Госстандарта СССР).
1980-1993 г.г. Хранение эталона ГЭТ-127 по бюджетной теме 06.05.00.02 (в качестве ученого хранителя эталона, согласно Постановлению Госстандарта СССР от 27 ноября 1980 г.).
1985-1987 г. г. Модернизация эталона ГЗТ-127 (в качестве ответственного исполнителя темы 06.01.08.01 Госстандарта СССР).
1976-1993 г. г. Хоз. договорные работы по созданию и поверке образцовых излучателей ШВИ, "Солнце", "Сириус", "Лебедь", горячего диска ГД-1, методикам аттестации излучателей, по аттестации антенного Фактора малой антенны и двух антенных полигонов для предприятий городов Москвы, Жуковского, С.-Петербурга, Гатчины, Ульяновска, Каменска-Уральского С в качестве руководителя темы).
С 1994 г. участие в разработке метрологического обеспечения спутниковой радиометрической системы (в качестве ответственного исполнителя главы в отчете ИРЗ национальной АН Украины),
С 1997 г. участие в проектировании метрологического обеспечения системы электромагнитной совместимости авиационных ралиос-редств в Харьковском институте летчиков.
Цель работы
- теоретическое обоснование и создание комплекса прецизионных устройств и методик высокоточной калибровки СВЧ радиометра с антенной для измерения параметров излучений, превышающих естественный Фон в нормальных условиях (с шумовыми температурами свыше 300 К до 105 Ю.
В настоящей работе сделан акцент на создание "горячих" . излучателей (с шумовой температурой заметно больше 300 Ю и исключение в процессе калибровки мешающих излучений, в том числе переотражений от окружающих предметов излучения "горячего" источника.
Научная новизна работы состоит в том, что решена проблема создания комплексного метрологического обеспечения СВЧ радиометрии излучений, превышающих естественный Фон в нормальных условиях. Автором впервые получены следующие научные результаты.
-
Разработаны' теоретические предпосылки обеспечения достоверности и "точности измерений параметров собственного излучения тел в СВЧ радиометрии. Аналитически обоснована необходимость калибровки радиометра с антенной при помощи расчетного излучателя. Разработана теоретическая концепция-аппаратурной реализации расчетного излучателя - СВЧ'модели черного тела. Получено измерительное уравнение СВЧ радиометрии, более общее, чем известные, позволяющее учесть важные параметры поля СВЧ излучения тел. Сформулированы параметры апертурных СВЧ моделей АЧТ. [1-Ю]
-
Разработаны и исследованы апертурные излучатели СВЧ шума со свойствами, максимально- приближающими их к теоретической модели черного тела микроволнового диапазона, - тепловые [11, а.с.12-15], газоразрядные [16,17, а. с. 18-27].и полупроводниковые [а.с.28-30].
-
Создана система методов и средств калибровки самого радиометра и радиометра с антенной, обеспечивающая достоверность и точность измерений параметров собственного излучения тел:[31-35], [а. с. 36-44]. Аналитически показано, что при измерениях отношений радиояркостей с помощью некалиброванного радиометра можно получить недостоверные результаты [46].
-
Построена система аттестации и контроля параметров антенн с помощью "горячих" излучателей, в том числе с регулируемыми апертурой, интенсивностью излучения, поляризацией. [46, а.с.47-54]
Предложена поверочная схема, основанная на фактически существующих метрологических связях СВЧ радиометрии С при использовании горячих излучателей) с узаконенными в метрологии абсолютным контактным измерением температуры и определением внешних электродинамических параметров антенн относительным методом двух антенн [55].
Исследованы для радиометрического тракта некоторые антенно-Фидерные устройства с волноводами связи произвольной длины. Для расчета предложен строгий метод и на его основе создан единый машинный алгоритм расчета волноводного разветвления в Н-плоскости с конфигурацией любой формы. [56-59]
Таким образом в настоящей работе выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, углубляющий представления о средствах изучения собственного излучения тел, позволявши учесть специфические особенности СВЧ радиометрии и ее связи с другими более устоявшимися областями Физики и измерительной техники.
Uk?ктическая значимость работы, Внедрение результатов.
Практическая значимость работы состоит в создании комплекса апертурных моделей АЧТ для государственного эталона ГЭТ-127, разработке и поверке образцовых излучателей СВЧ шума.
Введение эталона ГЭТ-127 обеспечило единство и достоверность измерений радиошумовых температур в стране, способствовало ускорению разработок срелств измерений собственного радиоизлучения тел различной природы, развитию теоретических исследований в области СВЧ радиометрии. Результаты, полученные при создании и эксплуатации эталона, позволили осуществить важные народно-хозяйственные проекты: оснащение самолетов солнечным радиосекстантом, калибруемым с помощью имитатора радиосолнечного излучения, который аттестован и периодически поверяется по эталону, разработку большой группы радиометрических методов антенных измерений.
На защиту выносятся:
-
Теоретические предпосылки обеспечения достоверности и точности измерений параметров собственного излучения тел в СВЧ радио-могрии. Обоснование необходимости калибровки радиометра с антенной при помоти расчетного излучателя. Аналитическое описание размеров и параметров излучения СВЧ реализаций черного тела. Измерительное уравнение СВЧ радиометрии, учитывающее параметры излучения реальных СВЧ моделей АЧТ. Перечень параметров апертурных микроволновых моделей АЧТ.
-
Система создания "горячих" апертурных СВЧ моделей АЧТ. включая их проектирование, изготовление, настройку и аттестации.
-
Действующие излучатели в составе эталона ГЗТ-127, излучатели "Солнце", ШВИ (горячий диск).
-
Система калибровки радиометра с антенной при попоит "горячих" СВЧ моделей АЧТ.
-
Поверочная схема, связывавшая СВЧ радиометрию, использую-!!".чп "горячие" излучатели, с абсолютным контактным измерением тсм-поратугы и определением внешних электродинамических параметров антенн относительным методом.
-
Система измерений с помощью "горячих" излучателей основных характеристик антенн и"поэлементного контроля Формы параболическо-
го зеркала: конструкция радиометрической антенны дециметрового диапазона для локального обгема.
7. Строгий метод расчета интерференционных волновошшх устройств с волноводными разветвлениями в Н-плоскости любой заданной конфигурации.
Результаты расчета с помощью ЭВМ диапазонности интерференционных волноводных устройств, показавшие, что эти устройства можно применять в радиометрическом тракте при ширине полосы 20-25% от значения центральной частоты.
Обоснованность научных положений и достоверность результатов. Для разработки математических моделей использованы апробированные методы решения. Проведена проверка полученных формул путем предельного перехода к известным ранее решениям, сравнения моделей между собой. О правильности вычислительных программ свидетельствует совпадение результатов, полученных различными способами, сравнение с известными результатами. Теоретические результаты подтверждаются экспериментально. Достоверность экспериментальных результатов определяется адекватным выбором методов измерения и измерительных средств с соответствующей оценкой случайной и систематической погрешностей. В программах для ЭВМ предусмотрен специальный тест контроля достоверности вычисленных данных. Произведено сличение имитатора радиосолнечного излучения, аттестованного по предложенной методике, с излучением Солнца.
Апробация работы и публикация результатов. Материалы диссертации обсуждены на Московском электродинамическом семинаре Научного совета по распространению радиоволн РАН (Москва, ИРЭ, 6.1.88), на семинаре ОКБ МЭИ (21.І.98). Отдельные результаты выполненных исследований докладывались на 5 Международном симпозиуме по современным достижениям в микроволновой технологии ISRAMT'95, Киев; на Международной конференции по антенной теории и технике ICATT95, Харьков; на 6-й Международной Крымской конференции "Микроволновые и телекоммуникационные технологии", Севастополь, 1896; на 5-й Крымской конференции "СВЧ-техника и спутниковые телекоммуникационные технологии", Севастополь, 1995; на 3-й и 4-й Крымской конференции "СВЧ-техника и спутниковый прием", Севастополь, 1993 и 1994; на 4-й Всесоюзной науч.-техн. конференции "Метрологическое обеспечение температурных и теплофизич.измерений в области высоких температур "Температура-90", Харьков; на 3-й Всесоюзной науч.-техн. конференции "Метрологическое обеспечение температурных и теплофизич. измерений в области высоких темпе-
ратур", Харьков, 1986; на 3-й Всероссийской конференции "Фазированные антенные решетки и перспективные средства связи (ФАР-94)", Казань; на Всесоюзном научно-технич. совещании "Петрологическое обеспечение измерений высоких температур и параметров плазмы", Харьков, 1979; на Всесоюзной науч. -технич. конференции "Метрологическое обеспечение температурных и теплофизических измерений в диапазоне высоких температур", Харьков, 1983; на 8-й всесоюзной науч.-технич. конференции по физике низкотемпературной плазмы, Ленинград, 1983; на 6-й Всесоюзной науч.-техн. конференции молодых специалистов Госстандарта "Повышение роли стандартизации и метрологии в обеспечении интенсификации - общественного производства", Львов, 1985; на Всесоюзной научно-технич. конференции "Фазированные антенные решетки и их элементы. Автоматизация проектирования и измерений (ФАР-90)", Казань, 1990; на 1-ой Украинской науч.-тех-н. конференции "Метрология в электронике-94", Харьков, 1994; на межреспубликанской науч.-технич. конференции "Фазированные антенные решетки и их элементы; автоматизация проектирования и измерений СФАР-82)", Казань, 1992; на республиканской науч.-технич. конференции "Теория и практика измерений параметров электромагнитных колебаний и линий передачи", Харьков, 1991; на 3-й республиканской науч.-техн.конференции "Измерительная и вычислительная техника в технологических процессах и конверсии производства", Хмельницкий, 1395; на 5-й Всесоюзной науч.-технич. конференции молодых ученых и специалистов Госстандарта "Влияние повышения уровня метрологического обеспечения и стандартизации на эффективность производства и качество выпускаемой продукции", Тбилиси, 1983; на 4-й Всесоюзной науч.-технич. конференции молодых специалистов "Влияние повышения эффективности работ в области стандартизации и метрологии на качество выпускаемой продукции", Харьков, 1980; на 5-й Всесоюзной науч.-техн. конференции "Метрология в радиоэлектронике", Москва, 1981; на 5-й Всесоюзной науч.-техн. конференции "Метрологическое обеспечение антенных измерений СВКАИ-5)", Ереван, 1990; на Всесоюзном симпозиуме по теории дифракции и распространению волн, Ростов-на Дону, 1977.
Публикации^ Основные результаты диссертации отражены в 109 публикациях в центральных отечественных и зарубежных изданиях, в том числе в трех нормативно-технических документах Госстадарта СССР; трех обзорах литературы (общий объем - 9 авт.листов); 31 статье; 34 авторских свидетельствах СССР, 1 положительной решении.
Личный вклад автора. Автором предложены принципы работы и конструирования всех излучателей, аттестованный в составе эталона ГЗТ-127, излучателей ШВИ (горячий диск) и "Солнце", методы и средства калибровки излучателей, аттестации эталонного комплекса. Автору принадлежат идеи устройств и методов, защищенные авторскими свидетельствами в соавторстве. В совпестных публикациях по расчету волноводных устройств на ЭВМ автором разработаны алгоритм и программы для ЭВМ. В остальных совместных работах автором даны постановка задачи, выбор метода решения, интерпретация результатов.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений; содержит 205 страниц основного текста, ?? рисунков, размещенных на 40 с., и 4 таблицы. В основном списке цитируемой литературы 315 наименований. Приложение 1 на 19 листах, сброшюрованное вместе с основным текстом, включает краткое изложение метода расчета СВЧ разветвлений путем синтеза матрицы рассеяния и строгого решения ключевой задачи Со волнах на стыке прямоугольных волноводов с НРо волнами) с основными Формулами и дополнительный списком литературы из 15 наименований. В приложении 2,:представленном в виде отдельной брошюры, приведены ксерокопии актов внедрения, справок об объеме использования, расчетов экономической эффективности Сна 21 листе) и других документов (титульных листов 6 открытых отчетов, ГОСТ 8.421-81. Представления о назначении ученого хранителя, публикаций об эталоне в средствах массовой информации).
