УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ РАДИОПОГЛОЩАЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к радиотехнике, в частности к радиолокации, и используется для измерения коэффициента отражения радиопоглощающих материалов (РПМ).
Известно устройство, предназначенное для измерения коэффициента отражения радиоволн от радиопоглощающих материалов во временной области [Пат. РФ №2339048]. Устройство содержит генератор сверхширокополосных (СШП) сигналов, передающую антенну, приемную антенну, СШП приемник, устройство обработки, опорное устройство для установки образца РПМ, пластину из радиопоглощающего материала, разделяющую передающую и приемную антенны, а также окантовку из РПМ по периметру образца. Исследуемый образец помещается на опорное устройство, передающая антенна, возбуждаемая генератором СШП сигналов, излучает импульс электромагнитного поля. Затем импульс, отраженный от исследуемого образца, поступает в приемную антенну и далее в СШП приемник и устройство обработки, где вычисляется спектр сигнала. Затем исследуемый образец заменяется эталонной металлической пластиной, и процедура повторяется. Частотная характеристика коэффициента отражения вычисляется как отношение квадратов модулей дискретных спектров.
Недостатком упомянутого выше устройства является ограниченность диапазона частот, в котором возможно определение коэффициента отражения РПМ, обусловленная применением передающей и приемной антенн с частотной зависимостью коэффициента усиления. Приведенные в примере реализации упомянутого устройства измерительные рупорные антенны типа П6-23 предназначены для излучения и приема синусоидальных сигналов в ограниченном диапазоне частот от 0,8 до 17,5 ГГц с неравномерностью частотной характеристики до 20 дБ по мощности (то есть амплитуда регистрируемого измерительного сигнала изменяется в 100 раз от низкой частоты к высокой). Таким образом известное устройство не обеспечивает измерение коэффициента отражения РПМ в сверхширокой полосе частот.
Техническая задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, состоит в преодолении указанного недостатка, а именно в обеспечении возможности определения коэффициента отражения образцов РПМ в сверхшироком диапазоне частот.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемой полезной модели, заключается в обеспечении возможности определения коэффициента отражения образцов РПМ в сверхшироком диапазоне частот от 0,1 до 40 ГГц по уровню минус 3 дБ по напряжению (то есть изменение амплитуды регистрируемого измерительного сигнала в диапазоне частот не превышает 1,4 раза).
изм
Указанный технический результат достигается за счет предлагаемого устройства для измерения коэффициента отражения радиопоглощающих материалов (РПМ), содержащего генератор сверхширокополосных (СШП) сигналов, передающую антенну, приемную антенну, СШП приемник, устройство обработки, опорное устройство для установки образца РПМ и эталонную металлическую пластину и отличающегося тем, что передающая антенна выполнена в виде ТЕМ-рупора, приемная антенна выполнена в виде измерительного преобразователя на основе полосковой линии длиной L, а образец исследуемого РПМ устанавливается на расстоянии R от передающей антенны, причем  и , где Δt - длительность временного окна, в котором производятся измерения сигналов, A - размер апертуры передающей антенны, c - скорость света в вакууме, τ - длительность фронта импульса генератора СШП сигналов.
В качестве передающей антенны используется ТЕМ-рупор, а в качестве приемной антенны - измерительный преобразователь на основе полосковой линии (Устройство для измерения параметров электромагнитного импульса со сверхкороткой длительностью фронта [Пат. РФ №2468375]).
Применение этих частотно-независимых передающей и приемной, имеющих равномерную амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), антенн, работающих в диапазоне частот от единиц герц до десятков гигагерц, дает существенное расширение диапазона рабочих частот от 0,1 до 40 ГГц (по уровню минус 3 дБ по напряжению), в котором определяется коэффициент отражения РПМ.
Схема заявляемого устройства для измерения коэффициента отражения радиопоглощающих материалов (РПМ) представлена на Фиг. 1 Устройство содержит генератор СШП сигналов 1, передающую антенну в виде ТЕМ-рупора 2, приемную антенну в виде измерительного преобразователя на основе полосковой линии ИППЛ 3, СШП-приемник 4, устройство обработки 5, опорное устройство 6, образец РПМ 7 и эталонную металлическую пластину 8.
Заявляемая полезная модель работает следующим образом. Исследуемый образец 7 помещается на опорное устройство 6. Передающая антенна в виде ТЕМ-рупора 2 располагается на расстоянии R от исследуемого образца под некоторым углом к его плоскости. Приемная антенна 3 в виде ИППЛ располагается зеркально под таким же углом к плоскости исследуемого образца также на расстоянии R от него. Передающая антенна возбуждается ступенчатым импульсом напряжения от генератора СШП сигналов 1. Излучаемый передающей антенной импульс электромагнитного поля отражается от исследуемого образца и поступает в приемную антенну, затем в СШП приемник 4 и устройство обработки 5, где вычисляется дискретный амплитудный спектр зарегистрированного сигнала. Затем исследуемый образец заменяется эталонной металлической пластиной 8, и процедура измерений повторяется. Вычисляется частотная характеристика коэффициента отражения как отношение модулей дискретных спектров.
ф
в
ф
Импульс, излучаемый ТЕМ-рупорной антенной, представляет по форме производную импульса возбуждающего ее генератора. При подаче на вход ТЕМ-рупорной антенны ступенчатого импульса с длительностью фронта τ излучается гауссовский импульс с длительностью фронта t<τ. Гауссовский импульс имеет равномерный спектр, занимающий диапазон частот от некоторой нижней частоты, близкой к 0 Гц, и до f=0,4/t. Таким образом достигается технический результат в части излучения передающей антенной импульса с равномерным спектром в полосе частот до 40 ГГц, при условии что длительность фронта импульса генератора, возбуждающего передающую антенну в виде ТЕМ-рупора, составляет не более 10 пс.
изм
Используемый в качестве приемной антенны измерительный преобразователь на основе полосковой линии ИППЛ представляет собой устройство для измерения параметров электромагнитного импульса со сверхкороткой длительностью фронта [Пат.РФ №2468375]. Измерение напряженности электрического поля при помощи данного устройства осуществляется во временном окне Δt, длительность которого определяется временем двойного пробега сигнала по полосковой линии длиной L:
где c - скорость света.
в
н
н
Время нарастания переходной характеристики ИППЛ составляет единицы пикосекунд, а сигнал на его выходе повторяет форму сигнала измеряемого электрического поля. В частотной области это означает что приемная антенна имеет равномерную амплитудно-частотную характеристику в диапазоне частот от единиц герц до некоторой верхней граничной частоты f=0,35/t, где t - время нарастания переходной характеристики антенны. Таким образом достигается технический результат в части регистрации приемной антенной импульса с равномерным спектром в полосе частот до 40 ГГц, при условии, что время нарастания переходной характеристики приемной антенны в виде измерительного преобразователя на основе полосковой линии составляет не более 8,7 пс. При этом длина L полосковой линии выбирается такой, чтобы длительность временного окна ИППЛ была больше длительности временного окна, в котором выполняется преобразование Фурье.
Исследуемый образец РПМ должен облучаться электромагнитным полем с равномерным амплитудно-фазовым распределением по поверхности, а для этого он должен располагаться в дальней зоне излучения передающей антенны, то есть на расстоянии R, для видеоимпульсных сигналов вычисляемом по формуле [Подосенов С.А., Соколов А.А. Потапов А.А. Импульсная электродинамика широкополосных радиосистем и поля связанных структур. М.: Радиотехника, 2003. 719 с.]:
где A - размер апертуры ТЕМ-рупорной антенны,
τ - длительность фронта импульса возбуждающего генератора СШП сигналов.
Пример осуществления полезной модели
Генератором СШП сигналов является генератор ступенчатых импульсов напряжения TMG1010 (НЛП «Трим», г. Санкт-Петербург). Длительность фронта импульса генератора составляет τ=10 пс.
Передающей антенной является ТЕМ-рупорная антенна, у которой высота электродов составляет 0,05 м, угол раскрыва - 16°, размер апертуры 0,014×0,025 м.
н
изм
Приемной антенной является устройство для измерения параметров электромагнитного импульса со сверхкороткой длительностью фронта. Время нарастания переходной характеристики составляет t=8,7 пс. Длительность временного окна t=1,2 нс.
СШП приемник и устройство обработки реализованы в одном приборе - цифровом стробоскопическом осциллографе Tektronix CSA8000. Полоса пропускания - 50 ГГц.
Передающая антенна размещалась, согласно формуле (2) на расстоянии R=0,05 м от образца РПМ. Размер образца выбран равными D=0,1 м, исходя из того, что в импульсной радиолокации минимальный линейный размер цели (в заявляемой полезной модели - образца РПМ) должен удовлетворять выражению D≥10(с·τ) [Чубинский Н.П., Кирьяшкин В.В., Хи Н.К. Об использовании сверхширокополосных сигналов для идентификации радиолокационных объектов // Журнал радиоэлектроники (электронный журнал). 2010. №5. URL: http://jre.cplire.ru/jre/may10/3/text.html (дата обращения 06.04.2015)].
н
в
При экспериментальных исследованиях регистрировался импульс электромагнитного поля, отраженный от РПМ. На Фиг. 2 показаны осциллограмма зарегистрированного приемной антенной импульса (сверху) и его спектр соответственно (снизу). Спектр зарегистрированного импульса занимает диапазона от f≈0 Гц до f=40,5 ГГц по уровню минус 3 дБ, что соответствует заявляемому техническому результату.