Способ измерения комплексного коэффициента отражения материалов в ближней зоне

 

Изобретение относится к технике измерений на СВЧ. Цель изобретения - повышение точности измерений. Сущность данного способа измерения комплексного коэффициентв отражения (КО) материалов в ближней зоне поясняется устройством, в котором сигнал с г-ра 1 СВЧ поступает на направленный ответвитель 2 и далее через приемно-передающую антенну 3 излучается в свободное пространство. В ближней зоне антенны 3 на механизме 4 перемещения располагается мера КО или исследуемый образец 5. Отраженный от меры КО или от образца 5 сигнал снова поступает в антенну 3, выделяется направленным ответвителем 2 и подается на амплифазометр 6. Информация об амплитуде и фазе отраженной волны с амплифазометра 6 поступает на ЭВМ 7. На нее же поступают данные о положении меры КО или образца 5. Производя обработку данных, ЭВМ 7 вычисляет комплексный КО образца 5. Для повышения точности измерения, перемещение меры КО или образца 5 осуществляют на расстояние, большее половины длины волны а фазу волны на выходе антенны 3 дополнительно регистрируют при расстояниях между апертурой антенны 3 и мерой КО или образца 5, равных не более четверти длины волны. 1 ил.

СООЗ СОВЕТСНИХ сОциАлистичесних

РЕСПУБЛИН (gg)5 G 01 R 27/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

r1o иэОБРетениям и ОТКРьГГиям пРи Гннт сссР

Н А ВТОРСНОМ У СВИДЕТЕЛЬСТВУ

r (21) 4446101/24-09 (22) 26.04,88 (46) 07.06,90. Бюл, Б- 21 (71) Научно-производственное объединение "Сибирский научно-исследоваII тельский институт метрологии (72) О.Н.Кубрак (53) 621.317.341(088.8) (56) Мицмахер М.Ю. и др, Безэховые

-камеры СВЧ. — М.: Радио и связь, 1982,. с. 97.

Приборы и техника эксперимента, 1959, М 4, с. 105 †!06. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОМПЛЕКСНОГО

КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В

БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ (57) Изобретение относится к технике измерений на СВЧ. Цель изобретения повышение точности измерений. Сущность данного способа измерения комплексного коэффициента отражения (КО) материалов в ближней зоне поясняется устр-вам, в котором сигнал с r-pa 1

СВЧ поступает на направленный ответ„SU, 1569744 А1 витель 2 и далее через приемно-передающую антенну 3 излучается в свободное пространство. В ближней зоне антенны 3 на механизме 4 перемещения располагается мера КО или исследуемый образец 5. Отраженный от меры КО или от образца 5 сигнал снова поступает в антенну 3, выделяется направленным ответвителем 2 и подается на амплифазометр 6. Информация об амплитуде и фазе отраженной волны с амплифазометра 6 поступает на ЭВМ 7.

На нее же поступают данные о положении меры КО или образца 5. Производя обработку данных, ЭВМ 7 вычисляет комплексйый КО образца 5. Для повыше- с е ния точности измерения перемещение меры КО или образца 5 осуществляют на расстояние, большее половины длины волны, а фазу волны на выходе антенны 3 дополнительно регистрируют при расстояниях между апертурой антенны 3 и мерой КО или образца 5, равных не более четверти длины вол- р ны. 1 ил., 1 табл. Cb

1569744

Изобретение относится к технике измерений на сверхвысоких частотах и может быть использовано при создании установок для измерений парамет5 ров материалов в свободном пространстве.

Использование методов измерений коэффициента отражения (КО) в свободном пространстве позволяет осуществлять неразрушающий контроль при разработке и производстве материалов, исследовать крупноструктурные материалы и т.д.

Целью изобретения является повы- 15 шение точности измерений.

На чертеже изображено устройство для осуществления способа измерения комплексного коэффициента отражения материалов в ближней зоне. 20

Устройство содержит СВЧ-генератор

1, направленный ответвитель 2, приемно-передающую антенну 3, механизм 4 перемещения, исследуемый образец 5, амплифазометр 6, ЭВИ 7.

Измерение комплексного коэффициента отражения состоит из следующей последовательности операций: перемещение вдоль оптической оси антенны на расстояние, большее половины длины 30 волны, меры КО и измерение в равноотстоящих точках, расстояние между которыми не превышает четверти длины волны, комплексных отсчетов N. амплитуды и фазы волны, перемещение вдоль 35 оптической оси антенны исследуемого образца и измерение в тех же точках, что и меры КО, комплексных отсчетов

N амплитуды и фазы волны.

1О

Под комплексными отсчетами ампли- 40 туды и фазы волны подразумевается

N;, =) NÄ,1.

N. = я. 1 е м

1М 1М

45 где l Nio 1, N„. 1- модули отсчета амплитуды волны в измерительном канале;

Ч ;, g,„- фазы, волны.

Комплексный коэффициент отражения

50 исследуемого образца вычисляется по формуле

° 4Н.

ll-1

Е N;,е W(i)

QN; e" Х .W(i)

1=0 где à — комплексный коэффициент отМ ражения меры КО; и — число отсчетов;

R ° - расстояние от меры КО или

1 исследуемого образца до апертуры антенны; — длина волны в свободном пространстве;

W(i) — весовая функция .

Согласно концепции парциальных волн поле между антенной и образцом может быть представлено в виде суммы парциальных плоских падающих и отраженных волн, распространяющихся под различными углами к оптической оси антенны. Структура поля в ближней зоне антенны не является плоской

TEM-волной. Амплитуды всех падающих на антенну парциальных волн суммируются с весовыми коэффициентами. Коэффициент отражения является функцией расстояния от апертуры антенны до образца R .. Выполнив по аналогии с

1 частотным методом анализа в радиотехнических цепях преобразование

Фурье с интегрированием по параметру

R сигнала, можно найти спектральную

1 плотность, величина которой пропорциональна амплитуде соответствующей парциальной волны. Коэффициент отражения при нормальном падении электромагнитной волны связан с парциальной волной, распространяющейся вдоль оптической оси антенны, Для этой волны пространственная частота равна

4И

11 It (знак — связан с выбором усй ловно-положительных направлений и имеет размерность м "), Так как падающие на антенну парциальные волны пропорциональны коэффициентам отражениямеры

КО и исследуемого образца, то

47 (- — )

S (- — ) м д (2) ГМ где $,S — спектральные плотности при перемещении меры КО и исследуемого образца.

При измерениях определяется конечное число отсчетов на выбранном интервале изменения R поэтому спектральные плотности должны вычисляться на основе дискретного преобразования

Фурье (ДПФ) с весовой функцией W(i), называемой корреляционным окном, которая вводится для уменьшения влияния конечности интервала наблюдения, 1569744

10 о о (" ) где I,(N

0 l > ((И

30

Ь, дб

Весовые

0,35875

0,48829

0,14128

0,01168

0,42323

0,49755

0,07922

0,40217

0,49703

0,09392

0,00183 а Q а а э

Выбор конкретного окна не играет существенной роли при измерении энергии спектральных гармоник с помощью

ДПФ. Критерием выбора соответствующей функции W(i) может быть требование минимизации смещения оценки спектральной плотности.. Этому требованию в наибольшей степени удовлетворяют окно Кайзера-Бесселя

) модифицированная функция

Бесселя первого рода нулевого порядка; параметр, задающий полосу пропускания корреляционного окна; 20 число отсчетов, Окно Блэкмана-Хэрриса

2Г . 4/1

W(i)=a -à . cos(—. i)+a cos(— i)o у 11

6 II

-а cos(— i)

N где а ...а — весовые коэффициенты, о определяемые в зависимости от уровня боковых лепестков из таблицы:

i=0,1,2,...,N-1. коэффи циенты -67 -74 -92

При реализ ации способ а измерения комплексного коэффициента отражения материалов в ближней зоне применялось корреляционное окно Блэкмана-Хэрисса с уровнем боковых лепестков -67 дБ, При внесении спектральных плотнос4 тей на частоте — — в виде дискретноЛ го преобразования Фурье ДПФ с весовой функцией W(i) выражение (2) приводит,ся к выражению (1), Для более точно- го определения спектральных плотностей интервал наблюдения должен соот ветствовать нескольким периодам исследуемой частоты, а частота дискретизации превышать ее не менее, чем в два раза. Поэтому перемещение меры

КО и исследуемого образца осуществляют на расстояние, большее половины длины волны, а амплитуду и фазу волны регистрируют при положении меры

КО и исследуемого образца в точках, расстояние между которыми не превышает четверти длины волны, Полученные данные позволяют вычислить спектральные плотности плоских парциальных волн, распространяющихся по нормали к поверхности меры КО и йсследуемого образца, и тем самым исключить влияние искажений поля в ближней зоне в связи с отличием структуры поля от TEN-волны на результаты измерения комплексного коэффициента отражения.

Устройство для осуществления способа измерения комплексного коэффициента отражения материалов в ближней зоне работает следующим образом.

С генератора 1 СВЧ сигнал поступает на направленный ответвитель 2 и далее через приемно-передающую антенну 3 излучается в свободное пространство. В ближней зоне антенны на механизме 4 перемещения располагается мера КО или исследуемый образец 5, Отраженный от меры КО или исследуемого образца сигнал поступает снова в приемно-передающую антенну 3, выделяется направленным ответвителем

2 и подается на амплифазометр 6, Информация об амплитуде и фазе отраженной волны с амплифазометра 6 поступает на ЭВ11 7. На нее же поступают данные о положении меры КС или исследуемого образца. Производя обработку данных согласно (1), 3ВМ вычисляет комплексный коэффициент отражения исследуемого образца.

Формула изобретения

Способ измерения комплексного коэффициента отражения материалов в ближней зоне, заключающийся в поочередном облучении антенной меры коэффициента отражения и исследуемого образца и их перемещении вдоль оптической оси антенны и регистрации амплитуды волны на выходе антенны, отличающийся тем, что,. с целью повышения точности, перемещение меры коэффициента отражения и исследуемого образца осуществляют на

1569744 и

RI

N.,N

io 1м

Корректор Ik. Корол

Заказ 1446 Тираж 555 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óæãîðîä, ул. 1 агарина,101 расстояние, большее половины длины волны, дополнительно регистрируют фазу волны на выходе антенны при рас-стояниях между апертурой антенны и

5 мерой коэффициента отражения и исследуемым образцом не больше четверти длины волны, а комплексный коэффицнент отражения вычисляют по формуле

n-t 1 4ХR.

N е i W(i) ,=0

Г =Г м n-i +le

nR э

gN. е W(i)

i, i где Г - комплексный коэффициент отм ражения меры коэффициента отражения;

Составитель А.Михайлова

Редактор И,Б!улла Техред M.Ходанич число отсчетов; длина волны в свободном пространстве; расстояние от апертуры антенны до меры коэффициента отражения исследуемого образца, при котором производится отсчет, весовая функция, комплексные отсчеты амплитуды и фазы волны при перемещении исследуемого образца и меры коэффициента отражения соответственно.