Прохождение СВЧ-излучения через электромагнитный кристалл, изготовленный из графитовых цилиндров

Вестник Челябинского государственного университета. 2011. № 15 (230). Физика. Вып. 10. С. 31-36.

И. В. Бычков, Д. В. Дубровских, И. С. Зотов, Д. А. Калганов, А. А. Федий

прохождение свч-излучения ЧЕРЕЗ электромагнитный КРИСТАЛЛ, изготовленный из графитовых цилиндров

Представлены результаты экспериментальных исследований по пропусканию СВЧ-излучения композитными материалами, состоящими из диэлектрической матрицы и сформированной в ней регулярной структурой графитовых стержней, представляющей собой электромагнитный кристалл. Исследования выполнены в диапазоне 8-12 ГГц. Показано, что в данном диапазоне зонную структуру имеет электромагнитный кристалл с постоянной решётки а = 10 мм.

Ключевые слова: СВЧ, электромагнитный кристалл, композит, поглотители, зонная структура, угловой спектрометр.

Введение. Создание радиопоглощающих покрытий СВЧ-диапазона связывают в первую очередь с военными нуждами, в частности, с так называемой технологией «стелс», однако в последнее время необходимость в таких покрытиях ощущается в промышленном и гражданском строительстве. В первую очередь это обусловлено насыщением окружающего нас пространства излучением в широкой полосе частот различного рода электронного оборудования. При этом наблюдается тенденция как расширения полосы в область всё более высоких частот, так и увеличение интенсивности излучения.

Электромагнитное излучение ухудшает экологическую обстановку, поэтому задача разработки систем защиты от электромагнитного излучения становится всё более актуальной и остаётся достаточно сложной. Решать такого рода задачи можно по-разному, например, с помощью различных металлических экранов, сеток, специальных тонкоплёночных покрытий [1-4]. Однако данные решения являются весьма дорогостоящими. Более дешёвыми и при этом достаточно эффективными являются композитные материалы, состоящие из диэлектрической матрицы, в которую добавлены различные проводящие включения: отрезки проволоки, порошки металлов, порошки чешуйчатого графита [57]. Отражение и поглощение электромагнитного излучения такими материалами определяется прежде всего наполнителем и его геометрией. Меняя содержание наполнителя в диэлектрической матрице, можно варьировать эффективную комплексную диэлектрическую проницаемость, что позволяет регулировать отражающую и поглощающую способности материала в относительно широком диапазоне. Также перспективными являются многослойные поглотители: ме-

няя электродинамические характеристики отдельных слоёв, можно легко получить материал с заданными функциональными свойствами.

Не менее эффективными оказываются анизотропные композитные материалы, состоящие из диэлектрической матрицы, в которой сформирован тонкий слой частично ориентированных чешуек графита [8]. Данный композитный материал имеет сильно выраженную анизотропию диэлектрической проницаемости, вызванную сильной анизотропией проводимости самих чешуек графита. В зависимости от поляризации падающей электромагнитной волны композитный анизотропный материал будет иметь различные отражающие и поглощающие свойства. Несмотря на низкую стоимость материалов, применяемых для создания подобного рода композитов, такие слоистые структуры сложны в изготовлении.

В качестве более простого анизотропного материала, электродинамические характеристики которого можно менять в широком диапазоне, можно использовать композитный материал, состоящий из диэлектрической матрицы, в которой сформирован «электромагнитный кристалл» [9]. Такой «кристалл» формируется из проводящих проволок, и ему присуща зонная структура, то есть при ориентации вектора напряжённости электрического поля Е падающей волны параллельно проволокам в спектре электромагнитной волны обнаруживаются полосы пропускания и непропускания излучения.

1. Методы измерений. Экспериментальные измерения электродинамических характеристик композитных материалов для СВЧ-диапазона проводятся косвенными методами: волноводным, резонаторным и радиоволновыми [10-11]. В качестве измерительного прибора используется панорамный измеритель КСВН (типа Р2-61).

Он предназначен для измерений амплитудночастотных характеристик (АЧХ) исследуемых материалов. В стандартном исполнении результаты измерений выводятся на экран встроенного осциллографа. Это вызывает ряд очевидных неудобств: большие затраты времени на проведение измерений, невысокая точность и невозможность хранения и обработки большого объёма данных.

В связи с вышеперечисленными недостатками в конструкцию измерителя Р2-61 были внесены существенные доработки, позволяющие полностью автоматизировать процесс измерении, что, в свою очередь, существенно ускоряет время проведения эксперимента, повышает точность измерений и позволяет обрабатывать большие объёмы экспериментальных данных.

1.1. Автоматизированный измеритель Р2-61. Работа измерителя Р2-61 основана на принципе рефлектометра раздельного выделения сигналов, пропорциональных мощности, падающей от генератора и отражённой от измеряемого объекта (при измерении КСВН) или прошедшей через измеряемый объект (при измерении ослабления) волн. Сигналы, пропорциональные падающей и отражённой мощностям, снимаются с детекторных головок, встроенных во вторичных трактах детекторов [12]. Генерирование высокочастотного сигнала происходит в генераторе качающейся частоты (ГКЧ), выполненном на диодах Ганна. Он обеспечивает следующие режимы перестройки частоты: ручная перестройка частоты;

ручное качание частоты; автоматическое качание частоты с длительностью периодов 0,08; 1; 10 с; разовое качание частоты с длительностью периода 40 с и ручным запуском.

Модернизация прибора заключалась в автоматическом изменении частоты ГКЧ и снятии отсчётов мощности сигнала при помощи внешнего устройства, а также предусматривала запись в ПК с одновременным отображением на мониторе. Напряжение детектируемого сигнала считывается с выхода блока индикатора КСВН. Частота генерируемого сигнала устанавливается в ГКЧ при помощи делителя напряжения в плате управления блока СВЧ [13]. Делитель на базе переменного резистора обеспечивает перестройку частоты в пределах от 7,9 до 12,5 ГГц. Амплитуда управляющего напряжения изменяется от 0 до 12,6 В. Таким образом, для установки частоты генерации в ГКЧ применяется генератор управляющего напряжения, осуществляющий цифро-аналоговое преобразование и последующее усиление управляющего напряжения. Снятие сигнала с индикатора Р2-61 и его оцифровка осуществляется при помощи аналого-цифрового преобразователя. Обмен данными с ПК осуществляется по ^В-интерфейсу при помощи интерфейсной микросхемы и8В^8232 и модуля полнодуплексного универсального асинхронного приёмопередатчика иАЯТ. Структурная блок-схема автоматизированного измерителя Р2-61 приведена на рис. 1.

Рис. 1. Блок-схема автоматизированного измерителя Р2-61.

CPU — микроконтроллер, ADC — аналого-цифровой преобразователь, DAC — цифро-аналоговый преобразователь

В экспериментальной установке используется микроконтроллер ATmega8 со встроенным 10-разрядным АЦП, модулем полнодуплексного универсального синхронно-асинхронного передатчика и последовательным интерфейсом SPI. В качестве напряжения питания МК было использовано напряжение шины И8В.

Для установки режима работы измерительной установки, приёма, обработки и хранения экспериментальных данных было разработано оригинальное программное обеспечение.

Измерения проводятся в режимах, реализованных в измерителе Р2-61, а также в режиме разового снятия частотной характеристики с периодами 0,1; 1; 10; 40 с. Полученные данные могут быть сохранены в текстовом либо графическом файле на ПК. В программе имеется удобный механизм определения частоты и амплитуды в точке нахождения курсора и их разности в интервале, заданном визирными линиями. Граничные частоты задаются в соответствующих полях ввода. Также реализованы автоматическое масштабирование отображаемых данных по амплитуде, автоматическое сохранение данных при остановке измерений, линейная интерполяция сигнала и другие функции, повышающие качество измерений и отображения результатов. Интерфейс программы представлен на рис. 2.

1.2. Угловой спектрометр. При исследовании композитных материалов волноводным и резонаторным методами неизбежно возникают

ограничения, связанные с конечными геометрическими размерами волновода. Некоторые исследуемые образцы, например, такие как регулярные проводящие структуры, имеют размер, превышающий сечение стандартного волновода 23^10 мм. Такие образцы исследовались при помощи углового спектрометра. Изготовленный прибор, прототипом которого служила установка, описанная в работе [14], позволяет измерять коэффициенты прохождения электромагнитного излучения без влияния краевых эффектов образцов.

В приборе используется автоматизированный измеритель КСВН диапазона 8-12 ГГц, формирователь направленного узкого пучка СВЧ-излучения и плоская измерительная камера, позволяющая измерять коэффициенты пропускания, поглощения и отражения исследуемых материалов. Измерения можно проводить в частотном диапазоне 8-12 ГГ ц, на углах отклонения от 0 до ±90°.

Камера формирователя возбуждается стандартным волноводом 23^10 мм. Боковые стенки камеры покрыты двуслойным поглотителем толщиной 20 мм. СВЧ-излучение из формирователя попадает на исследуемый образец, расположенный между двумя полукруглыми пластинами. Расстояние между пластинами 12 мм. По периметру пластин перемещается приёмная детекторная секция. Между пластинами также помещён поглотитель для уменьшения

4я Иїмє рите ль КСВН и ослабления 1» 1[Й[еЯ|

?.о Ц Двтсмасштаб по амплитуде

^^ с/-' Г" -V.

- V кг"" Граничные часготы

\ / У— — вгоо - ЩЙ

V ¡У

1.5 ; 1 = 52 А= 0.66 92

- Р2= 8543 А=  .СЄ 92 1 ІВкЛШ-ИТЬ І гмадт

& , (1 Г= 28 [1А= 0.00 оо

і Автоматический режим 10,0 с

і

1.11 ./

8 ^ЗЕ У А=1 .'82

М

0.5 1

ШшИ

0

Рис. 2. Интерфейс программы управления измерительной установкой

нежелательных отражений в камере. Схема углового спектрометра изображена на рис. 3.

Образцы для исследований помещаются в камеру таким образом, чтобы излучение падало по нормали к поверхности исследуемого образца. Центр окружности, по которой перемещается приёмная детекторная секция, должен находиться на противоположной поверхности образца, из которой выходит излучение.

Для исключения паразитных отражений в измерительной камере и входном узле, был приме-

3. Результаты измерений. Обсуждение.

Проводились две серии измерений. Первая серия — это измерения коэффициента отражения, которые выполнялись на открытом конце волновода, под различными углами относительно осей графитовых цилиндров, образующих электромагнитный кристалл. Результаты измерения коэффициента отражения показали, что в образцах с шагом а = 2-7 мм при падении волны перпендикулярно осям цилиндров коэффициент отражения был близок к 1, материал вёл себя как мед-

Рис. 3. Электрическая структурная схема углового спектрометра на базе автоматизированного измерителя КСВН

нен двухслойный поглотитель толщиной 20 мм, изготовленный из эпоксидной смолы с наполнителем из микрочастиц природного графита и алюминия.

2. Исследуемые образцы. Образцы для исследования представляли собой диэлектрическую матрицу CaSO4 • 2Н20, в которой сформирована регулярная проводящая структура из графитовых стержней (рис. 4). Данная структура представляет собой двумерный электромагнитный кристалл, при распространении электромагнитных волн перпендикулярно осям цилиндров.

Период решётки кристалла варьировался от 2 до 12 мм с шагом 1 мм, при этом диаметр графитовых цилиндров был равен 0,7 мм, а его погонное сопротивление 10 Ом/см. Измерения всех исследуемых образцов проводились в диапазоне 8-12 ГГц.

Рис. 4. Композитный материал, изготовленный на основе диэлектрической матрицы, в которой сформирован электромагнитный кристалл

ная пластина (рис. 5, кривая 2). Для сравнения был измерен коэффициент отражения от медной пластины толщиной 0,2 мм (рис. 5, кривая 1). При падении волны под углом 45° коэффициент отражения уменьшился и составил -4 дБ (рис. 5, кривая 3). При падении волны параллельно осям цилиндров электромагнитного кристалла коэффициент отражения имел минимальное значение -9 дБ (рис. 5, кривая 4).

Вторая серия измерений проводилась на угловом спектрометре, на образцах с постоянной решётки а = 8-12 мм и шагом 1 мм. Результаты

8 9 10 11 12

Рис. 5. График частотной зависимости коэффициента отражения (Я) от угла падения электромагнитного излучения

измерений показали, что для данного диапазона частот чётко выраженные запрещённые зоны и окно прозрачности наблюдаются на образце с постоянной решётки а = 10 мм (рис. 6).

На рис. 6 хорошо видны окно прозрачности (910 ГГц) и запрещённые зоны (8-9 и 10-11,5 ГГц). Аналогичные зависимости наблюдались и на образцах с постоянными решётки 8 и 9 мм. Для других образцов полоса прозрачности не попадала в рабочий диапазон нашего прибора. При уменьшении шага решётки от 10 до 8 мм наблюдается смещение окна прозрачности и запрещённой зоны в область более высоких частот. Таким образом, результаты измерений качественно совпадают с выводами, полученными в работе [9].

Заключение. Приведены результаты исследования коэффициента пропускания и отражения СВЧ-излучения в диапазоне 8-12 ГГц от электромагнитного кристалла, образованного графитовыми цилиндрами. Показано, что электромагнитный кристалл с шагом решётки а = 2-7 мм ведёт себя подобно металлической пластине с коэффициентом отражения, близким к 1. Также было установлено наличие зонной структуры у композитного материала с постоянной решётки 10 мм. Данный материал имеет весьма широкие запрещённые зоны и может быть полезен при изготовлении полосовых фильтров и радиопоглощающих покрытий.

Описанная методика и установка могут эффективно использоваться при исследованиях электродинамических характеристик крупномасштабных образцов, размеры которых

Рис. 6. График частотной зависимости коэффициента пропускания (Т) от параметра решётки электромагнитного кристалла с а = 10 мм

не позволяют применять к ним стандартные волноводный и резонаторный методы исследований.

В данной работе приведено очень краткое описание автоматизированного измерителя КСВН Р2-61. При исследованиях композитных и метаматериалов неизбежно проведение большого числа рутинных измерений. Автоматизация панорамного измерителя КСВН позволила проводить такие измерения с большой точностью и сохранять очень большой объём исходной информации, а это, в свою очередь — избежать в дальнейших экспериментах повторных измерений.

Автоматизированный измеритель КСВН в сочетании с угловым спектрометром существенно расширяет возможности экспериментальных исследований материалов в СВЧ-диапазоне.

Список литературы

1. Казанцева, Н. Е. Перспективные материалы для поглотителей электромагнитных волн сверхвысокочастотного диапазона / Н. Е. Казанцева,

Н. Г. Рывкина, И. А. Чмутин // Радиотехника и электроника. 2003. Т. 48, № 2. С. 196-209.

2. Островский, О. С. Защитные экраны и поглотители электромагнитных волн / О. С. Островский, Е. Н. Одаренко, А. А. Шматько // Ф1П ФИПИ PSE. 2003. Т. 1, № 2. С. 161-172.

3. Валюкенас, А. С. Исследование электропроводности тонких слоёв Си и А1 на СВЧ и постоянном токе / А. С. Валюкенас, А. А. Видугирите, В. В. Кибартас, А. С. Лауцюс и др. // Литов. физ. сб. 1968. Т. 8, № 4. С. 22-29.

4. Каплан, А. Е. Об отражательной способности металлических плёнок в СВЧ- и радиодиапазоне / А. Е. Каплан // Радиотехника и электроника. 1964. № 10. С. 15-21.

5. Крылов, В. А. Защита от электромагнитных излучений / В. А. Крылов, Т. В. Юченкова. М. : Сов. радио, 1972. 216 с.

6. Ковнеристый, Ю. К. Материалы, поглощающие СВЧ-излучения / Ю. К. Ковнеристый, И. Ю. Лазарева, А. А. Раваев. М. : Наука, 1982. 164 с.

7. Fan, Y. Evaluation of the microwave absorption property of flake graphite / Y. Fan, H. Yang, M. Li, G. Zou // Materials Chemistry and Physics. 2009. Vol. 115. P. 696-698.

8. Zotov, I. S. Dielectric-graphite composite electrodynamical characteristics / I. S. Zotov, I. V. Bychkov, A. A. Fediy // 3rd International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics. London, 2009. 30 aug.— 4 sept.

9. Belov, P. A. Dispersion and reflection properties of artificial media formed by regular lattices of ideally conducting wires / P. A. Belov, S. A. Tretyakov, A. J. Viitanen // J. of Electromagn. Waves and Appl. 2002. Vol. 16, № 8. Р. 1153-1170.

10. Завьялов, А. С. Измерения параметров материалов на сверхвысоких частотах / А. С. Завьялов, Г Е. Дунаевский. Томск : Изд-во Томск. унта, 1985.

11. Метод и установка для измерения электрических параметров слабо поглощающих диэлектриков на базе панорамного измерителя КСВН и ослабления // Электрон. техника. Сер. СВЧ-техника. 1988. Вып. 9 (413).

12. Измеритель КСВН панорамный Р2-6 : техн. описание и инструкция по эксплуатации.

1.403.044 ТО.

13. Генератор качающейся частоты. Блок управления : техн. описание и инструкция по эксплуатации. 2.390.014 ТО.

14. Star, A. F. Angle resolved microwave spectrometer for metamaterial studies / A. F. Starr, P. M. Rye, J. J. Mock, D. R. Smith // Rev. of Scientific Instruments. Vol. 75, № 4. Р. 820-825.