Визначення оптимальних розмірів датчика СВЧ поверхневиххвиль (П.В.) на основі меандровим лінії уповільнення (Л.З.)
Датчик ПВ сигналу на основі меандровим ЛЗ (плоскалінійна спіраль)
характеризується наступнимирозмірами (рис. 1):
рис. 1. Меандровим лінія уповільнення
h - ширина,
L - довжина,
2D - період,
D - осередок (крок) системи,
- зазор міжпровідниками, і - ширина і товщинапровідника,
і - відстань від центрусистеми до екранів.
Складові полів отриманів [1] при використанні наступних наближень
1)уздовж провідників поширюється ТИМ хвиля;
2)провідність провідників і екранів нескінченна;
3) <
4)система необмежена в напрямку z і провідники мають
квадратнерозтин.
Вважаючи, додатково, що системазанурена в непровідних діелектрик з проникністю і електричне полеоднорідне, нормально до провідників і не залежить від товщини провідника отримуємо вирази дляскладових магнітних полів у вигляді (в системі одиниць СІ).
I область:
, (1).
IIобласть:
, (2)
IIIобласть:
, (3).
де,,,. (4)
;m - номер провідника,,
і - хвильові числа n-й
просторовоїгармоніки з набігом фази на ячейкуі
відповідно,коефіцієнти,,, і аналогічні (4) із заміною на, - хвильовий опірвільного простору,-постійна ..Компоненти електричного поля мають аналогічний вигляд, якщо в квадратних дужках sin kxі cos kx замінити на cos kx і sin kx відповідно.
> У датчиках ПВ можна використовувати якскладову поля так і, які при віддаленихекранах рівні. Амплітуду магнітного поля знаходимо з виразу для потокуенергії переносимого уздовж системи
(вираженого через групову швидкість і енергію запасені вкомірці):
, де (5)
,
,
, (6)
,
,.
аналогічні, і з заміною на.
- потужність СВЧ, що подається до ЛЗ.
З (5) випливає, що амплітудамагнітного поля визначається сумою двох функцій і. Функція описує поле в поперечноїплощині XOY і дає середнє значення магнітногополя над поверхнею системи. Причому коли (, широкий меандр, короткі хвилі)переважає Синусний складова поля, коли (, вузький меандру довгі хвилі)переважає косинусні складова поля. Функція описує періодичну частина полявздовж координати Z.
Сигнал датчика ПВ пропорційний середньоквадратичномузначенням напруженості магнітного поля в зразку, який можна виразити черезкоефіцієнт перетворення потужності в полі (6)
(-об'єм зразка). У разі меандровимЛЗ він дорівнює (при):
, де (7)
аналогічно із заміною на, t -товщина зразка.
Рис. 2. Залежність коефіцієнтаперетворення потужності в поле для об'ємного зразка від параметра kh/2. Криві1,2 і 3 відповідають товщинам зразка t = 0, D/4 і D/2. Тут - в, D - у мм.
Залежність , від параметра спіраліkh/2 представлена ​​на рис.2 (-в е. 2 /вт , - в мм) і була обчисленапри наступних припущеннях
1) екранивидалені;
2) системасиметрична, тобто .
Оскільки про ряди (7) сходяться, як, в розрахунку враховувалисятільки члени з (члени ряду з n = В± 2 не перевищували 5% від нульового). Функція і розраховувалася з урахуваннямдисперсійної характеристики системи (5), побудованої в координатах kh/2,. З рис.2, зокрема,випливає, що при D = 0,4мм, = 2,6, = 3,2 смкоефіцієнт перетворення (в точці максимуму) дорівнює ~ 5 е. 2 /вт для зразка товщиною 0,1 ммі приблизно 9 е. 2 /вт на поверхні системи.
Для визначенняоптимальних геометричних розмірів датчика знайдемо його чутливість вЗалежно від параметрів спіралі і товщини зразка. Вважаючи детектуваннялінійним і що спіраль і детектор ідеально узгоджені з НВЧ трактом зразокзнаходиться з одного боку спіралі і дорівнює її довжині та ширині і потужність СВЧ,поглинається в момент резонансу, мала у порівнянні з підводиться. приходимо довисловом:
, (8)
Рис.3.Залежність чутливості датчика від параметрів меандровим ЛЗ (kh/2) тавідносини товщини зразка t до кроку спіралі D.
Де,, -коефіцієнти перетворення і опір детектора, - потужність СВЧ, подводимаядо датчика, - зміна напруги надетекторі СВЧ при резонансі, - уявначастина магнітної сприйнятливості,-меандровимЛЗ. Графік вирази (8), для симетричної меандровим ЗС, представлений на рис.3,з якого знаходимо оптимальну ширину датчика. Максимальну товщину зразка і, отже, крок спіралі можна оцінити з відстаніs, на якому полі послаблюється в "е" відповерхні системи (7)
, де коефіцієнт уповільнення є, вважаючи,геометричним.
Визначена таким чином величина t може в развідрізняється від істинного значення оскільки, в даному випадку, не враховуєтьсядвохвильовому характер системи (система "меандр" єдвоступеневою структурою [2]). Більш точне значення t можна знайти, побудувавшипо рис.3 залежність чутливості датчика від об'єму зразка (при заданому D і kh/2).
Оптимальна довжина спіралі при наявностівтрат, дорівнює, де постійназагасання знаходиться експериментально(Розрахунок не дає задовільногочисельного збігу з експериментальними даними). ​​
КОНСТРУКЦІЯДАТЧИКА ПВ І ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ РЕЗУЛЬТАТИ.
На рис.4 наведенаконструкція датчика, виготовлена ​​таким чином. На заготовку з оркстекла() Наносять паралельніканавки з кроком D і глибиною рівною діаметру дроту. Потім на заготівлівирізують пластинки (5) шириною h іповерх канавок накладається мідна платівка. У отвір просмикуєтьсязигзагоподібний мідний дріт, платівка прогрівається (до розм'якшенняоргскла) і віддаляється.
Виготовлені меандрові ЛЗ малирозміри L = 10 мм, ммз кроком D = 0,4 мм і 0.6 мм. Підведення і відведення потужності СВЧ здійснювався здопомогою радіочастотного кабелю (3) РК-75-2-26, КСВ (Н) датчиків з мм не перевищував 2,5 у діапазоніГГц при наявностіузгоджувального екрану у вигляді усіченого конуса (4). Датчики з розмірами h = 9 мм та9,5 мм мали граничну частоту в області 8 ГГц добре збігається зізначенням, знайденим по дисперсійним характеристикам. Виміряні методомзаміщення постійні загасання датчика (на см)дорівнюють 3,6 дб/см (h = 4,5 мм, D =0,4 мм)
і 6,2 дб/см (h = 6 мм, D = 0,4 мм).
Смуга пропускання, визначена за частотноїхарактеристиці датчика ПВ, перевищує 1500 МГц для датчиків з мм, що дозволяєвикористовувати їх при контролі Структуроскопи і дефектоскопії.
Виміряназалежність сигналу датчика ЕПР (рис.5) від об'єму зразка і висоти йогорозташування над поверхнею спіралі (зразок товщиною 0,07 мм) показує,що для датчика з h = 4,5 мм і h = 6 мм і кроком D = 0,6 мм граничний обсягзразка дорівнює 7 мм 3 і 17 мм 3 відповідно (приоднобічному розташуванні зразка), а амплітуда сигналу датчика ПВ зменшуєтьсяв "е" раз на висоті ~ 0,1 мм і ~ 0,17 мм для меандровим ліній з h = 4,5мм і h = 6 мм відповідно. Велика швидкість спадання поляз висотою для меандровим ЛЗ з меншою шириною, очевидно, є наслідкомдвоступеневої структури "меандру". Це підтверджується тим, щоекспериментальні залежності досить добре збігаються з обчисленими заданими рис.3, який був побудований з урахуванням двуволного характеру системи.Масштаб експериментальних кривих і розрахункових точок на рис.4 обраний так, щобзнайдені і розраховані значення для ЛЗ з h = 4,5 ммзбігалися при Vo = 21 мм 3 для ЛЗ з h = б мм при t/D =0,5.
Виміряна чутливість датчиків(При напрямку постійного магнітного поля ортогонально площина XZ "меандру") з h = 4,5 мм іh = 6 мм приблизно збігається (з урахуванням втрат) з чутливістю об'ємногорезонатора () для зразків об'ємом 3,3 мм 3 і 4,3 мм 3 . Розрахункове значення виходить в ~ 2,5 рази завищеними,що мабуть, пов'язано з тим, що при розрахунку не враховувалися крайові поля і,крім того, у ...
