«ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ РАДИОМАТЕРИАЛОВ, АКТИВНО ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ...»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

Землянухин Юрий Петрович

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ

РАДИОМАТЕРИАЛОВ, АКТИВНО ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ С

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ МИЛЛИМЕТРОВОГО

ДИАПАЗОНА

01.04.03 – Радиофизика Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат физ.мат. наук, доцент В.И. Сусляев Томск - Список обозначений ГКЧ – генератор качающейся частоты;

ДН – диаграмма направленности антенны;

ДС – детекторная секция;

ИЯ – измерительная ячейка;

КРМ – композиционный радиоматериал;

КСВн – коэффициент стоячей волны по напряжению;

МУНТ – многостенные углеродные нанотрубки;

ОУНТ – одностенные углеродные нанотрубки;

ПММА – полиметилметакрилат;

ПП – полипропилен;

ПС – полистирол;

ПСКМ – пеностеклокристаллический материал;

ПСМ – пеностекольный материал;

ПЭ – полиэтилен;

СВЧ – сверх высокочастотный;

СОП – стандартный образец предприятия;

ФМЖ – ферромагнитные жидкости;

ЦКП – центр коллективного пользования;

ЭМВ – электромагнитные волны;

ЭМИ – электромагнитное излучение;

ЭМС – электромагнитная совместимость;

*=' – i" – комплексная диэлектрическая проницаемость;

µ*=µ' – iµ" – комплексная магнитная проницаемость.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ

РАДИОМАТЕРИАЛОВ, АКТИВНО ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ С

ИЗЛУЧЕНИЕМ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА. ЛИТЕРАТУРНЫЙ

ОБЗОР

1.1 Экранирование электромагнитного излучения

1.2 Современные материалы, используемые для экранирования

1.3 Современные методы экспериментального исследования спектров диэлектрической и магнитной проницаемости

1.4 Постановка задачи перед диссертационной работой

2 МЕТОД «СВОБОДНОГО ПРОСТРАНСТВА» ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ С

БОЛЬШИМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПОТЕРЯМИ

2.1 Обоснование выбора метода измерений

2.2 Рупорные антенны

2.3 Элементы измерительного тракта

2.4 Линзовый волновод

2.5 Экспериментальная проверка линзового волновода

Выводы

3 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ

ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ОТКЛИКА ПЛОСКИХ

ОБРАЗЦОВ МЕТОДОМ «СВОБОДНОГО ПРОСТРАНСТВА»

3.1 Измерительный комплекс на основе скалярного анализатора цепей............ 3.2 Измерительный комплекс с квазиоптическими линзами

3.3 Измерительный комплекс с линзовым волноводом

3.4 Измерительный комплекс на основе векторного анализатора цепей............ 3.5 Достоверность и погрешность измерений

Выводы

4 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ

РАДИОМАТЕРИАЛОВ

4.1 Выбор материалов исследования

4.2 Электромагнитные характеристики пеностеклокристаллического материала

4.2.1 Технология получения и основные физико-химические свойства......... 4.2.2 Электромагнитные свойства

4.3 Исследование электромагнитных характеристик мезопористых полимеров 4.3.1 Основные физико-химические свойства мезопористых полимеров...... 4.3.2 Электромагнитные свойства

4.4 Электромагнитные характеристики композитов на основе многостенных углеродных нанотрубок и наноструктурного оксидного ферримагнетика ........ 4.4.1 Синтез многостенных углеродных нанотрубок

4.4.2 Электромагнитные характеристики композитов на основе МУНТ в полистирольной (ПС) матрице

4.4.3 Электромагнитные характеристики композитов на основе МУНТ в матрице из полиметилметакрилата (ПММА)

4.4.4 Электромагнитные характеристики композитов на основе МУНТ в полиэтиленовой (ПЭ) матрице

4.4.5 Электромагнитные характеристики композитов на основе МУНТ и гексаферритов в полимерной матрице на основе полиметилметакрилата..... 4.4.6 Сравнение электромагнитных характеристик композитов на основе МУНТ в различных полимерных матрицах

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ А Патент на изобретение

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Решение о выдаче патента на полезную модель

ПРИЛОЖЕНИЕ В Справка о внедрении в учебный процесс

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Неуклонный рост применения устройств, использующих высокочастотную радиоэлектронику, приводит к возрастанию суммарного электромагнитного загрязнения не только в производственных и научных, но и в бытовых помещениях, что требует принятия мер защиты, ослабляющих вредное воздействие электромагнитного излучения (ЭМИ). Во многих случаях снижения уровня электромагнитного излучения, требуемого медицинскими нормами, рациональным размещением оборудования и удалением его от биологических объектов достичь не удается. Задача может быть решена применением материалов, активно взаимодействующих с ЭМИ, которые, отражая или поглощая электромагнитную энергию, обеспечивают безопасную интенсивность. Другой современной проблемой является обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС). Электромагнитная обстановка представляет собой совокупность электромагнитных полей в заданной области пространства, которая может влиять на функционирование конкретного радиоэлектронного устройства или биологического объекта. Не менее важной проблемой настоящего времени является разработка средств защиты объекта от утечки информации по техническим каналам. Представляемый рынком обширный ряд радиоматериалов, которые могут применяться для экранирования или поглощения электромагнитной энергии, не полностью обеспечивает потребности в легких, негорючих, влагостойких, долговечных защитных устройствах доступных по цене. Поэтому разработка новых радиоматериалов остается востребованной научной задачей. Целенаправленный синтез исходных материалов и построение конструкций на их основе невозможно осуществить, не прибегая к экспериментальным исследованиям электромагнитных характеристик в широком диапазоне частот.

В связи с этим, исследование электромагнитных характеристик новых материалов, которые эффективно отражают или поглощают ЭМИ, с целью выбора оптимального состава или строения, отработка достоверных методик измерения и измерительных средств являются актуальными задачами.

Важное значение имеет выбор участка частот, в котором необходимо производить исследование. С этой позиции представляет интерес граница СВЧ и КВЧ диапазонов электромагнитного излучения, где отмечаются взаимоисключающие отличия в механизмах воздействия на медицинские иммуномодулирующее действие [1] и вызывают иммуносупрессию, а излучение миллиметрового диапазона, напротив, вызывает иммуностимулирующее действие [2]. Этот диапазон представляет интерес и с позиции развития радиоэлектронных устройств широкого назначения, так как отчетливо прослеживается тенденция продвижения аппаратуры в сторону высоких частот, чем обеспечивается быстродействие, многофункциональность, снижение веса и энергопотребления.

Для исследования предпочтительнее использовать неразрушающий метод, который может быть использован не только на стадии поисковых научных работ, но и в качестве контролирующего средства при массовом промышленном производстве радиоматериалов и конструкций на их основе.

В настоящее время активно ведутся работы по разработке физических основ создания эффективных поглотителей на основе пористых материалов, которые обладают малым весом и могут быть использованы как теплозвукоизоляционные и теплоизоляционно-конструкционные изделия, что повышает их потребительскую привлекательность. Пористые радиопоглощающие гранулы пеностекла, обладая относительно низким весом, применяются в авиастроении [3], поскольку за счет их размещения в фюзеляже самолета не только снижается уровень теплопотерь, но обеспечивается защита от радиационного воздействия, неизбежно проявляющегося на больших высотах [4].

Особый интерес представляют мезопористые материалы [5], которые имеют большие площади поверхности, контролируемую пористость, низкую плотность, богатые возможности модификации как органических, так и неорганических частей каркаса и др. Проводимость полимерных мезопористых материалов можно изменять в широких пределах, что позволяет создавать на их основе отражающие экраны и поглощающие покрытия.

электромагнитным излучением, являются высокие значения тангенса угла магнитных и диэлектрических потерь, что вызывает известные трудности при проведении измерений электромагнитных параметров.

пространства», экспериментально исследовать электромагнитный отклик и спектры диэлектрической проницаемости композиционных материалов на основе гексагональных ферримагнетиков, пеностеклокристаллических материалов (ПСКМ) и металлорганических координационных полимеров в диапазоне 26 – ГГц.

Задачи диссертационной работы. Для достижения указанной цели в работе ставятся следующие задачи:

материалов с большими потерями в диапазоне частот 26 – 37 ГГц неразрушающим методом «свободного пространства».

2. Разработать методику измерения электромагнитного отклика от плоских образцов диэлектрических и магнитодиэлектрических материалов в диапазоне частот 26 – 37 ГГц.

3. Освоить методику расчета спектров комплексной диэлектрической проницаемости исследуемых материалов по измеренным электродинамическим параметрам измерительной ячейки.

4. Обосновать выбор наиболее перспективных объектов исследования, которые могут быть использованы для устройства помещений с низким уровнем электромагнитного излучения и низкой отражательной способностью стен и потолка.

5. Провести экспериментальные исследования электромагнитного пеностеклокристаллического материала; 2) мезопористых материалов; 3) углеродных нанотрубок; 4) МУНТ и оксидных ферримагнетиков, в зависимости от толщины образцов, типа и концентрации активной фазы. Оценить достоверность полученных экспериментальных данных.

проницаемости композитов на основе углеродных нанотрубок по измеренным электродинамическим параметрам измерительной ячейки.

исследуемых композиционных материалов.

Методы исследования. В соответствии с поставленными задачами в диссертационной работе используется комплексный подход, сочетающий в себе численные расчеты и экспериментальные методы.

электрофизических характеристик материалов проводилось неразрушающим методом «свободного пространства» с применением рупорных преобразователей.

Для исследования возможностей измерительной установки и вычисления отражения применялся метод Савицкого-Голея.

На защиту выносятся следующие положения:

методом «свободного пространства» во всей полосе частот 26-37 ГГц повышает точность измерений коэффициентов прохождения и отражения листовых диэлектриков на 20 процентов при сокращении объема измерений в 3-5 раз по сравнению с многократными измерениями в отдельных точках диапазона.

2. Модернизация спектрометра применением линзового волновода, включающего приемный и передающий рупорные преобразователи и четыре линзы из тефлона марки Ф-4, повышает чувствительность измерений материалов с большими потерями.

3. В диапазоне частот 26 - 37 ГГц коэффициент поглощения пеностеклокристаллического материала на основе природного кремнезема, доломита и соды в 1,9 - 1,94 раза выше, чем коэффициент поглощения пеностекольного материала (ПСМ) на основе лампового стекла марки СЛ-97.

4. Диэлектрическая проницаемость композиционного материала на основе МУНТ в матрице из полиметилметакрилата, при содержании МУНТ вес.%, в диапазоне частот 26 – 37 ГГц, значительно выше, чем в полистирольной и полиэтиленовой матрицах.

Достоверность защищаемых положений и других результатов работы.

Достоверность первого научного положения подтверждается проведенной теоретической оценкой применимости плосковолнового приближения при использовании линзового волновода, измерением характеристик ранее исследованных материалов и сравнением полученных результатов с экспериментальными данными, опубликованными в научных изданиях.

экспериментальным исследованием коэффициентов прохождения и отражения образцов, аттестованных как стандартные образцы предприятия Сибирским научно-исследовательским институтом метрологии (СНИИМ), и аппроксимацией полученных данных полиномом второй степени по методу Савицкого-Голея.

Достоверность третьего и четвертого научных положений подтверждается экспериментально полученными частотными зависимостями электромагнитных характеристик ПСКМ на основе природного кремнезема, доломита и соды, ПСМ на основе лампового стекла марки СЛ-97, композиционных радиоматериалов на основе многостенных углеродных нанотрубок в полистирольной, полиэтиленовой матрицах и в матрице из полиметилметакрилата.

Достоверность экспериментальных данных подтверждается использованием своевременно поверенного оборудования и аттестованными методиками центра коллективного пользования Томского государственного университета «Центр радиофизических методов измерения, диагностики и исследований параметров природных и искусственных материалов», аккредитованного на техническую компетентность.

Научная новизна.

1. Модельным расчетом и экспериментальными измерениями доказана возможность применения плосковолнового приближения в линзовом волноводе, содержащем четыре линзы.

разработанного пеностеклокристаллического материала на основе природного кремнезема, доломита и соды, в результате чего выдан патент на изобретение № 2494507 от 27.09.2013 г.

3. Впервые получены экспериментальные данные по электрофизическим характеристикам композиционных материалов на основе многостенных углеродных нанотрубок в матрице из полиметилметакрилата, полистирольной и полиэтиленовой матрицах в диапазоне частот 26 - 37 ГГц.

4. Модернизирована установка для проведения измерений методом «свободного пространства» с применением рупорных преобразователей в полосе частот 26 - 37 ГГц, на основании чего получено положительное решение на выдачу патента на полезную модель по заявке № 2013140548/28(061723), поданной 02.09.2013.

зависимости составляющих электромагнитного отклика для композитов на основе металлорганических координационных полимеров.

6. Впервые исследована зависимость электромагнитных свойств композита на основе многостенных углеродных нанотрубок от вида связующего.

Научная ценность защищаемых положений и других результатов работы заключается в следующем:

Первое научное положение способствует повышению метрологического качества измерений спектров составляющих электромагнитного отклика и электродинамических характеристик материалов. При этом достигается экономия времени, затрачиваемого на измерения.

электромагнитных характеристик материалов, активно взаимодействующих с электромагнитным излучением, используя плосковолновое приближение, применением линзового волновода, расширяя динамический диапазон метода «свободного пространства».

Содержание третьего и четвертого научных положений дает представление об электрофизических характеристиках ПСКМ, композиционных радиоматериалов на основе многостенных углеродных нанотрубок в различных матрицах. Эти данные позволяют предсказывать поведение коэффициентов прохождения и отражения в рассматриваемой полосе частот.

Практическая значимость результатов работы.

Полученные результаты измерений позволяют использовать исследованные материалы в качестве экранирующих устройств, отражающих и поглощающих электромагнитную энергию в выбранном диапазоне частот электромагнитного излучения. Построенные на основе исследованных материалов экраны могут применяться для обеспечения экологической безопасности, решения задач электромагнитной совместимости, для защиты информации и снижения радиозаметности военных объектов. Сформулированные в диссертации рекомендации по применению исследованных материалов расширяют возможности создания «уголков электромагнитной безопасности», безэховых камер, защитных наполнителей в авиационной промышленности на новой основе.

В результате проведенных исследований электромагнитных параметров создан новый пеностеклокристаллический материал на основе природного кремнезема, доломита и соды, что подтверждается выданным патентом на изобретение (Приложение А).

электромагнитного отклика и спектров диэлектрической проницаемости с применением рупорных преобразователей, позволяющий измерять параметры плоскопараллельных диэлектриков, в том числе с большими диэлектрическими потерями.

Результатом модернизации измерительной установки является положительное решение о выдаче патента на полезную модель (Приложение Б).

Внедрение результатов диссертационной работы.

Результаты были использованы при выполнении следующих проектов:

1) «Разработка физических основ создания методов и средств терагерцовой диагностики фундаментальных характеристик материалов искусственного и природного происхождения» (в рамках проекта № 2.1.1/13220); 2) «Многофункциональная аппаратура гигагерцового и терагерцового диапазонов на принципах квазистатических и квазиоптических подходов» (Гос. контракт № П24766 от 19.11.2009 г.); 3) «Взаимодействие электромагнитного излучения УВЧ, СВЧ, КВЧ и ГВЧ диапазонов с природными и искусственными материалами» (№ госрегистрации 01201274001); 4) «Разработка методов и элементной базы для исследований быстропротекающих процессов и малоинерционной диагностики в гигагерцовом и терагерцовом диапазонах частот электромагнитных колебаний»

(Госзадание, регистрационный № 2.4885.2011); 5) «Физика окружающей среды»

(Соглашение 14.В37.21.0179 от 20.07.2012; 2012-1.4-12-000-2012-005).

Результаты работы внедрены в образовательный процесс РФФ ТГУ (Приложение В).

Апробация работы. Основные защищаемые положения и результаты диссертационной работы были представлены на: III и IV Международных научнопрактических конференциях «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2010, 2012 г.г.); II Научно-практической конференции «Информационно-измерительная техника и технология» (Томск, 2011 г.); 21-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии (КрыМиКо’ – 2011)» (Севастополь, 2011 г.); Тринадцатой международной научно-технической конференции «Измерения, контроль, информатизация» (Барнаул, 2012 г.); IV Общероссийской научно-технической конференции «Обмен опытом в области создания сверхширокополосных радиоэлектронных систем (СВЧ 2012)» (Омск, 2012 г.); IX Всероссийской школы-конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Инноватика-2013» (Томск, 2013 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы представлено в 15 публикациях, включая 9 статей в отечественных журналах, входящих в перечень ВАК, 6 работ в материалах и тезисах российских и международных конференций, 2 работы отмечены в БД Scopus, индекс Хирша – 1, число цитирований – 1, 7 работ в РИНЦ, индекс Хирша – 2, число цитирований – 10.

модернизировал измерительную установку для проведения исследований материалов с большими потерями на СВЧ.

композиционных материалов и проводил необходимые расчеты.

Совместно с научным руководителем участвовал в постановке научной задачи, в обсуждении и публикации основных результатов исследований.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературы.

Работа содержит: страниц – 120, рисунков – 64, таблиц – 7, приложений – 3. Список литературы – наименования.

1 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

КОМПОЗИЦИОННЫХ РАДИОМАТЕРИАЛОВ, АКТИВНО

ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ С ИЗЛУЧЕНИЕМ МИЛЛИМЕТРОВОГО

ДИАПАЗОНА. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Анализ современного состояния вопроса по теме диссертации проведен на основании изучения публикаций в отечественных и зарубежных периодических изданиях: «Известия высших учебных заведений. Физика»; «Доклады ТУСУРа»;

«Ползуновский вестник»; «Russian Physics Journal»; «Russian Journal of Non Ferrous Metals»; «Appl. Phys. Let»; «Ядерная физика и инжиниринг»; «Наука – производству»; «Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы»; «Технологии ЭМС»; «Силовая Электроника», «Новый оборонный заказ»; «Мир техники и технологий.»; «Экономика и производство» «Tribology of Polymeric Nanocomposites»; «Composites»; «Российский химический журнал»;

«Журнал структурной химии»; «Компоненты и Технологии»; «Проблемы черной металлургии и материаловедения»; «Строительные материалы»; «Стекло и керамика»; «Химия и химическая технология»; ряда монографий, учебных пособий, патентов и диссертаций.

1.1 Экранирование электромагнитного излучения В настоящее время отмечается широкое распространение устройств, использующих высокочастотную радиоэлектронику и импульсную технику, что вызывает ряд проблем, которые можно решить только снижением уровня электромагнитного излучения (ЭМИ).

Во-первых, нарастание интенсивности фона техногенного происхождения, вызванное скоплением излучающих технических средств в больших и малых городах и, особенно, в мегаполисах, а также устойчивая тенденция к росту количества этих скоплений и их энергетических потенциалов порождает экологические проблемы. Результат исследования электромагнитной обстановки на территории г. Красноярска за период с 1996 г. по 2006 г., например, экспоненциально [6]. Основными источниками электромагнитных излучений радиочастотного диапазона являются передающие радиотехнические объекты радиосвязи, радиовещания, телевидения, радиолокации. Интенсивно развиваются распространение получили новые функциональные источники электромагнитного поля радиочастотного диапазона – базовые станции и мобильные радиотелефоны, способные генерировать ЭМИ гигиенически значимые уровни [6]. Близость неблагоприятного воздействия на здоровье человека. Скорость изменения уровней электромагнитного поля в городских условиях очень высока и, возможно, превышает адаптационные возможности человека. Кроме того, персональных компьютеров [8], копировальной техники, навигационных приборов, телевизоров, холодильников с системой «без инея», кухонных вытяжек, электроплит, аэрогрилей [9] и другой бытовой техники, где происходит импульсное переключение, вносит дополнительный вклад в электромагнитный фон непосредственно в местах обитания и производственной деятельности [10]. В [3] показано, что определенному риску вредного воздействия ЭМИ подвергаются пассажиры авиалайнеров, когда за счет подъема на большие высоты защитный предпринимать защитные меры для населения, особенно, в отношении детей [11,12]. Широко применяемым средством для достижения этой цели является экранирование источников излучения или устройство экранов, снижающих уровень вредного воздействия в месте расположения человека.

Другой проблемой является обеспечение электромагнитной совместимости электромагнитных полей в заданной области пространства, которая может влиять биологического объекта [13 – 15]. В решении проблемы ЭМС активное участие принимают ученые и преподаватели Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР), которыми сформулированы основные задачи и направления для решения проблем ЭМС [16 – 18].

Подчеркнуто, что увеличение количества радиоэлектронной аппаратуры, одновременно работающей в ограниченном пространстве, приводит к уплотнению источников излучения [16] и, соответственно, к росту интенсивности электромагнитного фона. Повышением частоты спектра сигналов радиоэлектронных устройств достигается увеличение производительности и повышение потребительской привлекательности, но, вместе с тем, нарастают проблемы взаимного влияния отдельных блоков. При высоких частотах с ростом электрической длины и плотности монтажа межконтактных электрических соединений или межсоединений обостряется влияние внутриблочных паразитных связей, за счет которых сигналы задерживаются по времени, отражаются от неоднородностей, затухают из-за потерь и изменяют свою форму. Проблему ЭМС между приборами обострило широкое применение импульсных источников вторичного электропитания, которые работают на высоких частотах преобразования [19].

Достижение такого состояния, когда радиоэлектронная аппаратура в целом и ее отдельные блоки будут способны соответствовать своему функциональному назначению при воздействии внешних и взаимных помех, и есть основная задача обеспечения электромагнитной совместимости.

Не менее важной проблемой настоящего времени является разработка средств защиты объекта от утечки информации по техническим каналам. Основу любой деятельности людей составляет ее информационное обеспечение.

Информация становится одним из основных средств решения проблем и задач государства, политических партий и деятелей, различных коммерческих структур и отдельных людей. Так как получение информации путем проведения собственных исследований становится все более дорогостоящим делом, то расширяется сфера добывания информации более дешевым, но незаконным путем [20].

Основным путем утечки информации является электромагнитный канал, обусловленный побочными информативными электромагнитными излучениями основных технических средств обработки информации [13]. Побочные электромагнитные излучения могут возникать как наводки на внешних цепях питания, передаваться в окружающее пространство посредством функциональных отверстий в экранах и других устройств, для передачи информации не предназначенными. Наводки возникают при излучении информационных сигналов элементами аппаратуры и их соединительными линиями при частотах, когда элементы характеризуются распределенными параметрами, когда резистор, например, приобретает свойства индуктивности и емкости. Наводки возникают при наличии гальванической связи соединительных и посторонних проводников.

Уровень наводимых сигналов в значительной степени зависит от мощности излучаемых сигналов, расстояния до проводников, а также длины соединительных и посторонних проводников. Наводки на вторичные источники питания содержат не только составляющие в виде переменного напряжения с частотой промышленной сети, но и высокочастотные наводки, появляющиеся вследствие антенного эффекта проводов питающей сети, наводки, возникающие внутри блока вследствие появления паразитных связей через общие провода питания различных элементов. Утечка информативного сигнала по цепям электропитания и слаботочных линий может происходить различными путями [13, 16]. Например, между двумя электрическими цепями, находящимися на некотором расстоянии друг от друга, могут возникнуть электромагнитные связи, создающие объективные предпосылки для появления информативного сигнала в цепях системы электропитания объектов вычислительной техники. Источниками наводки являются устройства, в которых обрабатывается информативный сигнал;

приемниками – цепи электропитания, выступающие в качестве токопроводящей среды, выходящей за пределы контролируемой территории и одновременно с этим представляющие собой опасный канал утечки информации. Утечка информации при функционировании средств вычислительной техники также возможна либо через непосредственное излучение и наведение информативных импульсов, циркулирующих между функционально законченными узлами и блоками, либо посредством высокочастотных электромагнитных сигналов, модулированных информативными импульсами и обладающих способностью самонаводиться на провода и общие шины электропитания через паразитные связи [13, 20].

Эффективность защиты информации зависит от правильного выбора средств на основе анализа возможных источников утечки информации. Среди мер защиты информации все больший вес объективно приобретает инженернотехническая защита информации, основанная на использовании различных технических средств.

Для создания благоприятной электромагнитной обстановки с экологической точки зрения, для решения задач ЭМС и противодействия несанкционированному доступу к информации производится экранирование электромагнитных волн.

Экранирование – локализация электромагнитной энергии путем преграждения ее распространения, либо предотвращение попадания нежелательных сигналов в пределы определенного пространства. Экранирование электромагнитных волн является одним из самых действенных средств. В качестве защитных экранов в радиоэлектронной аппаратуре используются различные материалы и конструкции из них. Наиболее часто применяются металлические корпуса, закладки, оплетки и др. [13].

Экранируют не только отдельные блоки аппаратуры и их соединительные линии, но и помещения в целом. В обычных (неэкранированных) помещениях основной экранирующий эффект обеспечивают стены, окна и двери. Возможности такой защиты рассмотрены в [21]. Расположением аппаратуры и рабочих мест на основе расчета распределения суммарного электромагнитного излучения в помещении удается решить перечисленные выше задачи, используя защитные свойства стандартных элементов конструкций. Однако во многих случаях такой способ малоэффективен и возникает необходимость дополнительного экранирования, когда применяются: токопроводящие покрытия или обои;

металлизированная ткань, металлизированные стекла, устанавливаемые в металлические или металлизированные рамы.

составляющих электромагнитного поля, определяемой как отношение действующих значений напряженности полей в данной точке пространства при отсутствии и наличии экрана.

Экранировку электромагнитных волн более 100 дБ, что требуется при устройстве безэховых камер для проведения испытаний и высокоточных измерений параметров радиоэлектронной аппаратуры и антенной техники, испытаний технических средств на электромагнитную совместимость, для проведения медико-биологических экспериментов, можно обеспечить только в специальных экранированных камерах, в которых электромагнитный экран выполнен в виде электрогерметичного стального корпуса, а для ввода электрических коммуникаций используются специальные фильтры [13].

Безэховые камеры обеспечивают получение достоверных результатов измерений в обстановке сильного электромагнитного зашумления естественным и техногенным электромагнитным фоном, а также могут использоваться как дополнительное средство защиты информации. В таких помещениях не должно экранированные двери [13]. Стены помещения отделываются гибкими экранами, например ткаными коврами из аморфных материалов или электропроводящими конструкционным радиопоглощающим материалом для предотвращения образования стоячих электромагнитных волн с частотами более 1 ГГц и для создания более комфортной экологической обстановки.

Важнейшее значение имеет технологичность устройства поглощающих покрытий внутренних помещений. Сложные конструкции типа «бамбук» [22], пирамидальные конструкции или блоки с «елочками» из микропровода требуют больших временных затрат на установку, на проведение ремонта, а также высококвалифицированных монтажников, специализирующихся в данном производстве. Перечисленные материалы не обладают качествами, предъявляемыми к строительным материалам: негорючестью и влагостойкостью;

пожаробезопасностью; стабильностью и экологической безопасностью при эксплуатации.

1.2 Современные материалы, используемые для экранирования применения различные радиопоглощающие материалы, которые подразделяются по электромагнитным параметрам, по весогабаритным характеристикам, по геометрии исполнения.

металлической поверхности, где образуется пучность магнитного поля при образовании стоячей волны как суперпозиция падающей и отраженной волн.

Широко распространены ферритовые радиопоглощающие материалы [23, 24], так как обеспечивают самое простое, удобное и рентабельное решение проблемы радиочастотных помех в кабелях и соединителях. Более того, они обеспечивают подавление нежелательных высокочастотных колебаний, не ослабляя сигналы постоянного тока или низкой частоты. Основной состав ферритовых материалов – это комбинация оксидов железа и других металлов. Удачное сочетание ряда важнейших физических характеристик обеспечило поликристаллическим оксидным ферримагнетикам широкое применение. Большая глубина скин-слоя в совокупности с большой магнитной проницаемостью обеспечивает глубокое проникновение электромагнитной волны и эффективное взаимодействие излучения с веществом, делая эти материалы незаменимыми в устройствах высокочастотной радиоэлектроники. Применение нанотехнологии и современных методов синтеза позволило расширить функциональные возможности ферритовых материалов [24, 25]. В настоящее время разработаны материалы, перекрывающие широкий диапазон частот [24–30], практически до 70 ГГц. К сожалению, ферритовые материалы имеют большой вес, поскольку в своей основе они состоят из металлов.

радиотражающих тканей, сеток и других изделий [31–34]. Однако, тканные или пленочные материалы, изготовленные с использованием металлической сетки для защиты биологических объектов или экранирования поверхности, отличаются большой долей отраженного излучения и высокой ценой.

Радиопоглощающий композит, состоящий из мелкодисперсных (0,5 – мкм) сферических частиц железа или покрытых магнитным материалом стеклянных шариков ( 80 вес. %) и диэлектрической связки – силиконовой композиции ( 20 вес. %) [35] имеет значительный вес и повышенную хрупкость и отличается сложной и длительной технологией его изготовления. Подобному составу, состоящему из карбонильного железа (50 – 90 %), компонента на основе платины и полимера на основе силоксана [35], присущи те же недостатки и дополнительно высокая стоимость. Кроме того, при его изготовлении используют вредные вещества (толуол, гептан и др.).

При устройстве защитных экранов в свободном пространстве широкое применение находят углеродсодержащие материалы. В прошлом веке в этом качестве использовалась сажа, в настоящее время с развитием нанотехнологии все большее распространение находят материалы на основе углеродных наноструктур: одностенные и многостенные нанотрубки, фуллерены, луковичные структуры [36–41]. Материалы, состоящие из дисперсного поглощающего наполнителя, включающего порошки графита, сажи, сегнетоэлектриков, металлических сплавов, связанных жидким полимером, представляют собой сложные составы. Технология изготовления предполагает равномерное смешение очень разнородных по плотности компонентов. Концентрационные зависимости электромагнитных характеристик композитов на основе углеродных наноструктур имеют перколяционный порог, то есть вариацией количества активной фазы можно конструировать как отражающие экраны, так и поглощающие покрытия.

Отмечается большое разнообразие разработанных материалов, однако высокочастотные электромагнитные характеристики их изучены недостаточно полно.

В настоящее время активно ведутся научные работы по разработке физических основ создания эффективных пеностекольных материалов [42], взаимодействующим с электромагнитным излучением. Пеностекольный материал долговечностью [44]. Материалы данной группы можно использовать как теплозвукоизоляционные, теплоизоляционно-конструкционные. Пеностеклянные радиопоглощающие гранулы, обладая относительно низким весом, перспективны для применения в авиастроении [43], поскольку за счет их размещения в фюзеляже самолета снижаются уровни теплопотерь, электромагнитного и радиационного воздействия, неизбежно проявляющихся на больших высотах и в строительстве. Актуальность разработки таких полифункциональных материалов обусловлена их пожаробезопасностью и экологичностью, технологичностью и удобством в изготовлении элементов различной геометрической формы.

В Томском политехническом университете разработана двухстадийная технология получения пеностеклокристаллических материалов, аналогичных по распространённые виды кремнезёмистого сырья и техногенных отходов и предусматривает синтез промежуточного продукта (фритты) при относительно низких температурах, не превышающих 950 С, что значительно ниже по сравнению с традиционными температурами получения стекла 1150 оС. Несмотря на то, что в научных публикациях говорится о возможности применения пеностекольных материалов в качестве защитных экранов и рассматриваются теоретические основы взаимодействия электромагнитного излучения с пеностеклом [49], электрофизические характеристики и электромагнитный отклик от конструкций из этих материалов изучены слабо.

Относительно недавно стали применяться шунгитобетоны [50], которые технологическими качествами, присущими для строительных материалов.

Коэффициент экранирования такого помещения может превышать 60 дБ в широком диапазоне частот [13].

Всё большее внимание исследователей из разных стран привлекают пористые металлоорганические координационные полимеры [51, 52] в связи с их многообещающими применениями. Комбинируя ионы металлов или кластеры и разнообразные органические лиганды, можно получить огромное количество координационных полимеров с самыми разнообразными свойствами: большие площади поверхности, контролируемая пористость, низкая плотность, богатые возможности модификации как органических, так и неорганических частей каркаса и др. В последнее время пористые координационные полимеры привлекают большое внимание в связи с перспективами их широкого использования для разделения, сорбции и хранения газов, в качестве катализаторов, для создания лекарств пролонгированного действия и др.

применений. Значительный прогресс достигнут в получении микропористых (с мезопористым каркасам (размер пор более 2 нм) позволяет значительно расширить круг использования таких пористых сорбентов. Прежде всего, представляет особый интерес изучить электромагнитные характеристики мезопористых полимеров для использования в качестве радиоматериалов высокочастотного диапазона. В качестве радиопоглощающих материалов мезопористые полимеры до сих пор не рассматривались, хотя их электрические свойства позволяют предположить такую возможность.

1.3 Современные методы экспериментального исследования спектров диэлектрической и магнитной проницаемости В настоящее время для измерения электромагнитных характеристик материалов в зависимости от частотного диапазона и количества исследуемого материала используются различные методы [53– 71].

Конденсаторные методы применяются для измерения диэлектрической проницаемости жидких и плоских твердых диэлектриков в низкочастотной части диапазона ЭМИ. Применяемый в работе [53] современный прибор Precision LCR Meter Agilent E4980A, использующий мостовую схему измерения, обеспечивает достаточную точность и позволяет измерять комплексную диэлектрическую и магнитную проницаемость на тороидальных образцах. Рабочий диапазон установки – 20 Гц – 2 МГц. Измерения в них проводятся по методу замещения, когда балансировка схемы производится сначала без образца, а потом с образцом.

Схематическое изображение измерительной ячейки для измерения комплексной диэлектрической проницаемости плоских твердых образцов изображено на рисунке 1.1.

1 – прижимной винт; 2 – верхняя крышка ячейки; 3 – корпус ячейки; 4 – верхняя (съемная) пластина конденсатора; 5 – исследуемый образец; 6 – изолятор;

7 – нижняя (закрепленная) пластина конденсатора; 8– нижняя крышка ячейки.

Рисунок 1.1 – Конструкция измерительной ячейки [53] Волноводные методы [54] используются для измерения диэлектрической проницаемости жидких кристаллов [55], сегнетоэлектриков [56], композитов на основе гексаферритов и углеродных наноструктур [57, 58], ферромагнитных жидкостей (ФМЖ) (рисунок 1.2) [59].

Эти установки обладают широкополосностью и позволяют исследовать материалы с большими потерями. В настоящее время используются схемы с измерительной линией [60] и современные скалярные и векторные анализаторы цепей отечественного [57] и зарубежного производства [58].

1 – генератор сигналов Г3-30, 2 – волновод, 3 – зонд, 4 – СВЧ диод зонда, 5 – полюса постоянного магнита, 6 – термостат, 7 – милливольтметр, 8 – терморегулятор, 9 – слюдяная пластинка, 10 – подвижный поршень, 11 – регулятор положения поршня в волноводе, 12 – исследуемое вещество.

Рисунок 1.2 – Блок-схема волноводной установки [59] Волноводные методы измерения электрофизических параметров и концентрации ФМЖ, использующие свойства магнитоанизотропии (гиромагнитные свойства в присутствии постоянного поля подмагничивания Ho), имеют свои особенности, обусловленные тем, что: а) в отличие от резонаторных более чувствительны, когда измеряются параметры ФМЖ с большой величиной удельной проводимости, например ферритографитовые жидкие смеси; б) без постоянного поля подмагничивания обладают большей точностью измерений по сравнению с резонаторными в случае, когда диэлектрическая проницаемость частиц сильно отличается от диэлектрической проницаемости жидкостиносителя; в) в присутствии поля подмагничивания Но при измерении параметров ФМЖ инвариантны к вариации удельной проводимости [59].

Волноводные методы измерения ограничиваются областью частот, где возникают трудности с изготовлением образцов и растут погрешности определения коэффициента стоячей волны по напряжению и сдвига минимума.

Обеспечение широкополосности достигается набором измерительных ячеек различных стандартов (рисунок 1.3). Использование измерительных линий затрудняет автоматизацию измерений и существенно снижает точность измерений, по сравнению с тем, что позволяют получить анализаторы цепей.

Рпад – падающая мощность с генератора Р2-61; Ротр– отражённая мощность от границ диэлектрика; 1 – волновод; 2 – исследуемый образец; 3 – основной поглощающий клин; 4 – дополнительные поглощающие клинья Рисунок 1.3 – Схема измерительной ячейки [59] В целом верхняя граница применения волноводных методов простирается вплоть до 60 ГГц, однако на частотах порядка 25–30 ГГц возникают трудности, связанные с малыми размерами волноводов. Если для исследования жидких диэлектриков в этом диапазоне метод работает успешно, то для твердых материалов возникают известные проблемы с изготовлением образцов для измерения, их подгонки к размерам измерительной ячейки для обеспечения электрического контакта образца и волновода.

Известные достоинства резонаторных методов измерений обеспечивают их популярность при выборе средств измерений электромагнитных характеристик [61 – 70]. В зависимости от вида агрегатного состояния вещества, от формы образца, от величин комплексных магнитной и диэлектрической проницаемостей выбирается форма и конструкция резонатора. Длинные стержни исследуют в прямоугольном объемном резонаторе [61, 62], диски в круглом [63 – 65], пластины в нерегулярном микрополосковом резонаторе [66 – 68] и в полосковом [70], пластины большого размера в открытых резонаторах [63, 70, 71].

Для исследования локальных и интегральных электромагнитных характеристик наиболее удобно использовать квазиоптические методы [71], которые объединяют методы с рупорными преобразователями [72–74]. Рупорные методы относительно просты, поэтому нашли наибольшее распространение. При измерениях используют методы «на прохождение» (рисунок 1.4), когда рупорные преобразователи находятся по обе стороны от образца, или «на отражение», когда приемная и передающая антенны находятся по одну сторону от исследуемого образца. В некоторых случаях используется один рупорный преобразователь, который служит приемо-передающим устройством. Как правило, рупорные преобразователи находятся на некотором расстоянии от исследуемых образцов.

Однако при исследованиях образцов малых размеров его располагают непосредственно на раскрыве рупора (рисунок 1.5).

1 – блок питания; 2 – генератор; 3 – волноводный тракт; 4 – аттенюатор;

5, 6 – излучающая и приемная антенны; 7 – детектор; 8 – усилитель;

Рисунок 1.4 – Схема дефектоскопа «на прохождение» [73] Рисунок 1.5 – Рупорный метод для измерения в частотных диапазонах 3–80 ГГц Широкое применение в антенной технике в СВЧ диапазоне получили линзовые антенны [75, 76]. Состоят они из электромагнитной линзы и облучателя, фазовый центр которого совмещен с фокусом линзы. Электромагнитная линза – это радиопрозрачное тело, ограниченное двумя поверхностями: освещенной криволинейного профиля и плоской поверхностью апертуры. К линзам предъявляются следующие основные требования: они должны иметь малые тепловые потери и быть хорошо согласованными с окружающим пространством.

Облучатель предназначен для создания нужного амплитудного распределения на раскрыве линзы. Он должен иметь точечный фазовый центр и обеспечивать требуемую поляризацию поля излучения. В качестве облучателей используются слабонаправленные антенны, такие как рупорные, открытые концы волноводов, вибраторы с рефлекторами и т. д.

В отличие от оптического диапазона линзы в радиодиапазоне могут быть как замедляющими, так и ускоряющими. На практике чаще всего используются диэлектрическая (замедляющая) и металлопластинчатая (ускоряющая) линзы.

Размеры раскрыва линзовых антенн обычно велики по сравнению с длиной волны, поэтому они относятся к остронаправленным антеннам и предназначены для формирования узких диаграмм направленности.

Принцип действия линзовых антенн заимствован из оптики и заключается в преобразовании расходящегося пучка лучей от слабонаправленного источника в параллельный пучок лучей или в преобразовании сферического фронта волны облучателя в плоский волновой фронт на выходе линзы. Благодаря этому удается получить плоский синфазный раскрыв требуемого размера и сформировать узкую диаграмму направленности (ДН).

1.4 Постановка задачи перед диссертационной работой Проведенный анализ литературных источников показал, что разработка экранирующих устройств для снижения уровня электромагнитного излучения с целью создания благоприятной экологической обстановки, для решения задач электромагнитной совместимости и защиты информации является актуальной задачей. В настоящее время особо востребованы радиопоглощающие и радиоотражающие материалы, которые могут быть использованы в построении специальных помещений, поскольку потребность в безэховых камерах, комнат с пониженным фоном электромагнитного излучения, специальных помещений, создаваемых с целью защиты информации неуклонно возрастает. Применяемые ранее материалы недостаточно эффективны, конструкции защитных экранов сложны для установки в помещениях, ломки и неудобны при эксплуатации.

Разработанные для узкоспецифических целей, эти конструкции совершенно непригодны для устройства в жилых и производственных помещениях широкого использования.

радиоматериалы на основе углеродсодержащих наноструктур, оксидных ферримагнетиков, включая наноструктурные, пеностекольного материала и мезопористых структур. Эти материалы пожаробезопасны, нетоксичны, технологичны как на стадии синтеза и изготовления конструкций, так и устройства помещений. Эффективность экранирования позволяет производить тонкие покрытия (композиты на основе оксидных ферримагнетиков и углеродных наноструктур), либо легкие и прочные изделия, не требующие изменения технологий, принятых в строительстве. Однако электрофизические характеристики таких материалов изучены недостаточно в связи с их недавним появлением и известными проблемами измерения материалов с большими потерями на СВЧ.

Литературный обзор показал, что в субмиллиметровом диапазоне наиболее востребованы квазиоптические методы, использующие рупорные преобразователи, открытые резонаторы и линзовые антенны.

Поэтому актуальной задачей является исследование электромагнитных характеристик композиционных материалов в гигагерцовом диапазоне волн, используя метод «свободного пространства».

Предметом данной работы являются образцы композитов на основе пеностеклокристаллического материала, мезопористых материалов, углеродных нанотрубок и их смесей.

2 МЕТОД «СВОБОДНОГО ПРОСТРАНСТВА» ДЛЯ

ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

МАТЕРИАЛОВ С БОЛЬШИМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПОТЕРЯМИ

В главе дается обоснование выбора метода измерений электромагнитного отклика и электромагнитных параметров материалов с большими потерями.

Описывается метод определения оптимального расстояния между приемной и передающей антеннами измерительной установки. Предложен способ повышения точности измерений усреднением результатов по измеренным точкам во всем частотном интервале статистической обработкой экспериментальных данных методом Савицкого-Голея и аппроксимацией полиномом второй степени.

Построена математическая модель и разработана компьютерная программа для моделирования процедуры выбора геометрических параметров измерительного тракта по фазовым и амплитудным характеристикам электромагнитного излучения на апертурах фокусирующих элементов. Материалы данной главы доложены на двух конференциях и опубликованы в 5 статьях и материалах конференций, выполненных в соавторстве. Автор лично определял оптимальное расстояние между приемной и передающей антеннами измерительной установки, предложил способ повышения точности измерений, участвовал в построении математической модели выбора геометрических параметров измерительного тракта, в обсуждении результатов и подготовке публикаций.

2.1 Обоснование выбора метода измерений электромагнитные параметры плоских образцов материалов, активно взаимодействующих с электромагнитным излучением, в диапазоне частот 26 – ГГц. Такая форма образцов выбрана из простоты технологии приготовления и изза предполагаемого назначения в виде экранов. Плоские образцы можно исследовать резонансными и волноводными методами [76–79], но в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн при исследовании неоспоримыми достоинствами обладает метод «свободного пространства».

Наличие открытой области между приемо-передающими антенными системами или зеркалами открытых резонаторов позволяет осуществлять неразрушающий контроль качества (однородность, толщина, влажность и др.) произведенной продукции непосредственно во время технологического процесса [80, 81]. Этот метод применяется для измерения магнитной и диэлектрической проницаемостей больших по размеру образцов, а также для исследования зависимостей этих характеристик от температуры, магнитных и электрических полей и других воздействий, поскольку дает возможность относительно простого способа размещения нагревательных приборов или источников полей на необходимом расстоянии от образца без экранирующих устройств.

электромагнитными и геометрическими параметрами исследуемого образца.

магнитодиэлектрика (d) и значений комплексных диэлектрической = ' – i" и магнитной = ' – i" проницаемостей. Здесь, – действительные,,, – электромагнитной волны, падающей на плоский слой магнитодиэлектрика под прямым углом, выражения для коэффициентов отражения и прохождения могут быть записаны в виде [82]:

магнитодиэлектрика, k0 = /c волновое число свободного пространства, = 2f круговая частота электромагнитного процесса.

электродинамической системы с измеряемым образцом, внесенным в ее объем, с параметрами антенной системы без образца.

электромагнитный отклик от образца определенной толщины, но не определяют свойства материала, из которого изготовлен образец. Это не позволяет проводить математическое моделирование электромагнитного отклика при заданных изменениях геометрических размерах образцов и их формы, что мешает оценить предельные значения поглощающих и отражающих характеристик или подобрать оптимальную геометрию конструкции на основе этого материала.

Такую возможность дают материальные характеристики – диэлектрическая и магнитная проницаемости, которые можно использовать при решении прямой электродинамической задачи, определяя электромагнитный отклик по известным значениям * и * и заданным толщинам образцов. Формулы (2.1) позволяют из измеренных параметров электромагнитного отклика рассчитать материальные характеристики. Однако следует учитывать условия, при которых формулы получены – плосковолновое приближение, когда плоская волна падает на плоскую поверхность нормально. Здесь не принимается во внимание шероховатость поверхности, непараллельность поверхности, дефекты структуры, характерные для конкретного образца.

2.2 Рупорные антенны Поскольку поставлена задача проводить измерения в полосе частот, то применение резонансных антенн: вибраторных, щелевых, полосковых, микрополосковых, входное сопротивление которых сильно зависит от частоты [75], не целесообразно. Предпочтительнее использовать апертурные антенны:

рупорные, зеркальные, линзовые и другие типы антенн [75, 83]. Элементарным излучателем в них является элемент Гюйгенса.

Достоинством рупорных антенн является простота конструкции и хорошие диапазонные свойства. Практически рабочая полоса частот рупорной антенны ограничивается полосой питающего ее волновода и составляет около 100%.

Пирамидальный рупор – антенна в форме четырехгранной пирамиды, с прямоугольным сечением. Такие антенны являются наиболее широко используемым типом рупорных антенн. Излучает линейно-поляризованные волны.

Схематичное изображение пирамидальной рупорной антенны показано на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Пирамидальная рупорная антенна Коэффициент направленного действия антенны определяется площадью ее раскрыва и может быть рассчитан по формуле:

где S=LELH – площадь раскрыва рупора; =0,49 – коэффициент использования поверхности для пирамидального рупора.

При равенстве LE и LH диаграмма направленности антенны в плоскости Н получается в 1,5 раза шире, поэтому часто, для получения одинаковой ширины лепестка в обеих плоскостях, выбирают LH=1,5LE.

Ширина диаграммы направленности пирамидального рупора по половинной мощности определяется:

Поскольку при полностью действующем волновом фронте интенсивность в точке наблюдения обеспечивается частью волновой поверхности, площадь которой меньше размеров первой зоны Френеля, рассчитаем оптимальное расстояние для размещения первой линзы от волновода, применительно к нашей установке.

Радиус зоны Френеля можно найти через соотношение:

где i=1,2,3… - номер зоны Френеля.

Диаметр используемой линзы d=50 мм должен быть равен диаметру первой зоны Френеля. Применив формулу (2.5) и взяв a = b, находим оптимальное расстояние для диапазона частот 26–37 ГГц, которое равно 10,9 15,4 см. Исходя из полученных данных, для того чтобы на первую линзу падала волновая поверхность, находящаяся только в первой зоне Френеля во всем диапазоне частот, необходимо, чтобы линза располагалась не дальше 10,9 см от волновода.

Определим основные параметры рупорных антенн, используемых в нашей измерительной установке.

Ширина стороны раскрыва в плоскости Н: LH=1,7 см.

Ширина стороны раскрыва в плоскости Е: LЕ=0,7 см.

Площадь раскрыва рупора: S=LELH=1,19 см2.

По формуле (2.2) определяем коэффициент направленного действия антенны на частоте 30 ГГц: D=7,33.

По формулам (2.3) и (2.4) определим ширину диаграммы направленности антенны на частоте 30 ГГц:

- в плоскости Н: 20,7Н=47°;

- в плоскости Е: 20,7Е=75,7°.

2.3 Элементы измерительного тракта коэффициентов отражения, а, особенно, коэффициентов прохождения материалов с большими потерями, удовлетворительная чувствительность серийной анализаторов цепей) достигается только при сдвиге передающей и принимающей рупорной антенны вплотную с образцом между ними. Такой способ применяется при исследованиях [75, 84].

Однако при этом возникло сомнение о применимости плосковолнового приближения для расчета материальных электродинамических параметров. Для оценки применимости проведено сравнение рассчитанных по формуле (2.1) коэффициентов прохождения для стандартных образцов предприятия (СОП), аттестованных в соответствии с действующим законодательством Сибирским научно-исследовательским институтом метрологии, и измеренными значениями.

плоскопараллельные диски диаметром 50 мм с точно измеренными толщинами и величинами ’и tg приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Метрологические характеристики СОП Продолжение таблицы 2.1 – Метрологические характеристики СОП Номер Наименование Частота, Калибруемый параметр Величины диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь, приведенные в таблице, говорят о незначительной частотной дисперсии, характерной для плавленого кварца и добротной керамики, из которых изготовлены образцы.

Результаты показывают (рисунки 2.2 – 2.5), что наблюдается существенное расхождение частотных зависимостей, что, вероятно, и связано с несоответствием приближений, при которых получена формула (2.1), с реальными условиями проведения эксперимента.

Рисунок 2.2 – Расчетные и измеренные значения коэффициентов прохождения Рисунок 2.3 – Расчетные и измеренные значения коэффициентов прохождения Рисунок 2.4 – Расчетные и измеренные значения коэффициентов прохождения Рисунок 2.5 – Расчетные и измеренные значения коэффициентов прохождения Формирование плоского фронта электромагнитной волны возможно достичь удалением исследуемого объекта от источника излучения. По этой причине нами проведен эксперимент по исследованию зависимости результатов измерения коэффициента прохождения при изменении расстояний между рупорами. Результаты исследования приведены на рисунках 2.6–2.12. Чтобы не загромождать рисунок, показаны результаты только для двух расстояний, хотя измерения производились через 1 см.

экспериментальных и полученных из решения прямой электродинамической задачи результатов. Практически неизменяющийся результат достигнут при расстоянии 50 см между рупорами. Однако при этом существенно снизился, что очевидно, уровень принимаемых сигналов. Дальнейшее увеличение расстояния приводит к потере сигнала на уровне шумов.

Рисунок 2.6 – Экспериментальный выбор наилучшего расстояния между Рисунок 2.7 – Экспериментальный выбор наилучшего расстояния между Коэффициент прохождения, дБ Рисунок 2.8 – Экспериментальный выбор наилучшего расстояния между Коэффициент прохождения, дБ Рисунок 2.9 – Экспериментальный выбор наилучшего расстояния между Коэффициент прохождения, дБ Рисунок 2.10 – Экспериментальный выбор наилучшего расстояния между Рисунок 2.11 – Экспериментальный выбор наилучшего расстояния между Рисунок 2.12 – Экспериментальный выбор наилучшего расстояния между На рисунке 2.13 видно, что измерения в отдельных частотных точках заметно расходятся с расчетными данными. Отклонения экспериментальных значений от расчетных в отдельных частотных точках достигает 2 дБ. Повысить точность измерения можно набором статистических данных, несколько раз измеряя электромагнитный отклик в каждой частотной точке. Однако в результате многочисленных наблюдений нами замечено, что метод усреднения результатов по измеренным точкам во всем частотном интервале статистической аппроксимацией опытных данных полиномом второй степени дает целый ряд преимуществ. Во-первых, частотное усреднение снижает погрешность до 0,5 дБ и менее для всех образцов [85, 86] при резком снижении времени набора статистики по сравнению с многократными измерениями в отдельных точках. Во-вторых, полностью используются возможности панорамных измерителей для получения более полной информации об электромагнитных свойствах исследуемых материалов.

Чтобы повысить чувствительность, нами разработан линзовый волновод, использующий две линзы. Уровень сигнала в пустом (без образца) тракте повысился на 30 дБ.

Результаты сравнения коэффициентов прохождения для нескольких СОП на квазиоптической установке с двумя линзами приведены на рисунках 2.13 – 2.16.

Рисунок 2.13 – Расчетные и измеренные коэффициенты прохождения СОП на квазиоптической установке с двумя линзами, СОП- результатами, полученными из решения прямой электродинамической задачи.

Добившись формирования фронта волны, близкого к плоскому, мы не решили задачу получения достоверной информации об электромагнитных измерительных средств не позволяет получать надежный уровень сигнала.

Это заключение подтвердилось пробными исследованиями материалов с углеродными нанотрубками [87]) и магнитными (композиты с наноразмерным порошком гексаферрита в качестве активной фазы [88]) потерями.

Рисунок 2.14 – Расчетные и измеренные коэффициенты прохождения СОП на квазиоптической установке с двумя линзами, СОП- Рисунок 2.15 – Расчетные и измеренные коэффициенты прохождения Рисунок 2.16 – Расчетные и измеренные коэффициенты прохождения на квазиоптической установке с двумя линзами на СОП- Установлено, что принимаемый сигнал практически теряется на фоне шумов. Это связано с тем, что на образец подается недостаточно большая мощность. В частности, это возникает из-за потерь в поглощающей диафрагме, которая необходима для устранения краевых эффектов при недостаточно больших размерах образцов. Для перераспределения долей падающей микроволновой мощности и концентрации ее на образце были добавлены еще две линзы с фокусным расстоянием 60 мм. Введение дополнительных линз могло привезти в искажению фронта волны и к нарушению плосковолнового приближения, которое используется для расчета диэлектрической проницаемости.

В связи с этим была произведена теоретическая оценка и экспериментальная проверка применимости линзового волновода с четырьмя линзами.

2.4 Линзовый волновод Для рассматриваемой в работе экспериментальной установки была построена математическая модель и разработана компьютерная программа для моделирования процедуры выбора геометрических параметров измерительного тракта по фазовым и амплитудным характеристикам электромагнитного излучения на апертурах фокусирующих элементов.

В качестве математической модели для вычисления электромагнитных характеристик измерительного тракта использовалась теория линзовых волноводов [89, 90]. Геометрическая структура для построения модели представлена на рисунке 2.17.

Рисунок 2.17 – Структура измерительной установки для построения модели Будем считать, что ось линз совпадает с осью z цилиндрической системы координат,, z, Li – расстояние от источника и между линзами, Ri – радиусы линз, Di – толщины линз (рисунок 2.17). Фокусные расстояния линз вычисляются по коэффициентам преломления материала и радиусам кривизны линз с помощью известных соотношений [89]. Выполняются следующие соотношения между размерами и длиной волны:

Изменения фазового фронта волны в теле линз представимы функцией f ( r, ) и отнесены к плоскостям отсчета фазы до и после линз S 0 3. Скалярное уравнение Гельмгольца для любой компоненты электромагнитной волны в объеме между линзами и граничные условия на плоскостях, следуя работе [90], выберем в виде:

Уравнение, описывающее излучение вторичных волн с поверхности линзы (плоскость S1,3 ), имеет вид:

где g (, 0 ) - функция Грина [93], а (0 ) – дельта-функция Дирака.

Следуя работе [91] граничное условие сформулируем в виде g z = Решению граничной задачи (2.8) удовлетворяет функция:

где символы обозначают прямое и зеркальное изображение вектора относительно рассматриваемой плоскости.

На основании второй теоремы Грина [91] можно записать связь криволинейных интегралов с интегралом по поверхности для функции удовлетворяющей уравнению (2.6) и функции Грина:

формулы (2.10) можно записать так:

тогда относительно плоскости излучения S, проходящей через точку z = можно записать:

Производные по нормали к плоскости z = 0 будут иметь вид:

Тогда для точек, лежащих на плоскости второй линзы с левой стороны, значения полей определяются следующим образом:

Значения полей с правой стороны линзы можно определить, используя условие из (2.7):

Повторяя процедуру вычисления полей на второй линзе, определяем поля в плоскости исследуемого образца. Линза в общем случае изменяет поляризацию падающей волны. Поэтому строго описать поле дифракции с помощью только одного уравнения Гельмгольца нельзя [90].

Таким образом, алгоритм решения задачи будет состоять из пяти автономных частей: получение распределения поля волны излученной точечным источником на поверхности S 0 ; распределения поля на поверхности S1 с учетом фокусирующих свойств линзы; распределения поля на поверхности S 2 с учетом интерференции волн точечных источников, излучающих с поверхности S1 ;

распределения поля на поверхности S 3 с учетом фокусирующих свойств линзы;

распределения поля на поверхности S 4 с учетом интерференции волн точечных источников, излучающих с поверхности S 3.

В качестве средства для программной реализации выбрана система программирования Free-Pascal и прикладной интерфейс API операционной системы Windows. Форма программного интерфейса пользователя представлена на рисунке 2.18.

Здесь расположены следующие органы управления и задания параметров расчета:

• текстовый редактор для указания расстояния от источника до первой линзы;

• текстовые редакторы для указания радиуса кривизны первой и второй линз;

• текстовые редакторы для указания толщины линз и показателей их преломления;

• текстовый редактор для указания частоты электромагнитного процесса;

• окно выбора вида моделируемого параметра (распределение фазы или поля);

• текстовые редакторы для указания расстояний между линиями.

В центре рабочей области формы отображается графическая информация:

• нормированный профиль распределения поля на рассматриваемых плоскостях;

• графики распределения фаз и полей на рассматриваемых плоскостях.

В программе моделирования предусмотрена запись полученных результатов в файлы для дальнейшей обработки.

На рисунках 2.19 – 2.21 представлены результаты моделирования параметров измерительного тракта по фазовым и амплитудным характеристикам электромагнитного излучения на апертурах фокусирующих элементов. В процессе моделирования изменялся размер L2 – расстояние между второй линзой и экраном, на котором размещался объект исследования.

а) - на плоскости S 0, - на плоскости S1, *- на плоскости S 2 ; б) - на плоскости S 3, - на плоскости S 4. Распределение поля на апертурах: в) - на плоскости S 0, - на плоскости S1, *- на плоскости S 2 ; г) - на а) - на плоскости S 0, - на плоскости S1, *- на плоскости S 2 ; б) - на плоскости S 3, - на плоскости S 4. Распределение поля на апертурах: в) - на плоскости S 0, - на плоскости S1, *- на плоскости S 2 ; г) - на плоскости S 3, Рисунок 2.20 – Распределение фазы на апертурах а) - на плоскости S 0, - на плоскости S1, *- на плоскости S 2 ; б) - на плоскости S 3, - на плоскости S 4. Распределение поля на апертурах: в) - на плоскости S 0, - на плоскости S1, *- на плоскости S 2 ; г) - на плоскости S 3, Рисунок 2.21 – Распределение фазы на апертурах 2.5 Экспериментальная проверка линзового волновода При выполнении модельных экспериментов были сделаны допущения, диэлектрической проницаемости. Для оценки достоверности предложенного подхода проведена экспериментальная проверка модельного исследования на СОПах по методике, описанной в предыдущих разделах данной главы.

Исследуемые образцы закреплялись на держателе с диафрагмой диаметром 25 мм, вырезанной в радиопоглощающем экране, который полностью перекрывает поток электромагнитной энергии. В эксперименте использовались два рупорных преобразователя (передающий и приемный) и четыре линзы.

Результаты, приведенные на рисунках 2.22 – 2.24, показывают, что совпадают.

Рисунок 2.22 – Расчетные и измеренные коэффициенты прохождения СОП – на установке с четырьмя линзами и уменьшенной диафрагмой Рисунок 2.23 – Расчетные и измеренные коэффициенты прохождения СОП – на установке с четырьмя линзами и уменьшенной диафрагмой Рисунок 2.24 – Расчетные и измеренные коэффициенты прохождения СОП– на установке с четырьмя линзами и уменьшенной диафрагмой На этом основании можно сделать вывод, что разработанный линзовый волновод, содержащий рупорные преобразователи, четыре тефлоновые линзы, может быть использован для измерения электромагнитных характеристик плоского слоя диэлектрика.

Полученный при этом уровень прошедшего сигнала достаточен для исследования композиционных материалов, в которых активная фаза представлена углеродными наноструктурами и наноструктурными оксидными ферримагнетиками.

В результате проведенного исследования предложен способ измерения спектров диэлектрической проницаемости материалов с большими электродинамическими потерями в диапазоне частот 26 – 37 ГГц, включающим два рупорных преобразователя и линзовый волновод, составленный из четырех тефлоновых линз. Новизна технического решения подтверждена положительным решением о выдаче патента (Приложение Б).

Теоретически и экспериментально доказана обоснованность применения плосковолнового приближения при использовании разработанного линзового волновода. Для экспериментальной проверки использовались стандартные образца предприятия, аттестованные в соответсвии с принятыми правилами.

геометрические размеры измерительной линии, при которых получается равномерное распределение поля на объекте иследования.

Показано, что усреднение результатов измерения электромагнитного отклика методом свободного пространства с применением рупорных преобразователей во всей полосе частот 26-37 ГГц повышает точность измерений коэффициентов прохождения листовых диэлектриков на 20 процентов при сокращении объема измерений в 3-5 раз по сравнению с многократными измерениями в отдельных точках диапазона.

3 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ

ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ОТКЛИКА ПЛОСКИХ

ОБРАЗЦОВ МЕТОДОМ «СВОБОДНОГО ПРОСТРАНСТВА»

В главе дается описание измерительного комплекса на основе скалярного и векторного анализаторов цепей в различных модификациях. Предложен оригинальный метод повышения чувствительности спектроскопа введением линзового волновода, который защищен патентом. Определяется достоверность и погрешность результатов измерений. Материалы данной главы доложены на двух конференциях и опубликованы в 8 статьях и материалах конференций, выполненных в соавторстве. Автор лично выполнял монтаж и настройку различных комбинаций измерительной установки, проводил измерения на стандартных образцах предприятия и сравнивал экспериментальные значения с расчетными, определял достоверность и погрешность результатов измерений, принимал участие в обсуждении результатов и подготовке публикаций.

3.1 Измерительный комплекс на основе скалярного анализатора цепей теоретического и экспериментального анализа, разработанного линзового волновода, в качестве измерительного для исследования плоских образцов исследуемых материалов в диапазоне 26-37 ГГц выбран метод «свободного пространства» «на проход» и «на отражение» с рупорными антеннами.

требовательности к калибровочным мерам, скалярные анализаторы цепей дают возможность измерять на данной частоте модули |R| и |T|, по которым определяются две величины: или значения и при известных и, или наоборот. Блок-схема установки на основе аналогового анализатора цепей – панорамного измерителя коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВн) и ослабления для миллиметрового диапазона длин волн: Р2-65 (2637,5 ГГц), в который входит индикатор Я2Р-67 (позиция 1), генератор качающейся частоты и набор волноводных элементов, приведена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Блок-схема рупорной установки для исследования электромагнитного отклика плоских образцов Кроме указанных выше элементов комплекс состоит из трех направленных ответвителей 3, 4, 8 с детекторными секциями. Ответвитель 3 с детекторной секцией (ДС) служит для измерения падающей на измерительную ячейку (ИЯ) 5, 6 мощности Рпад. Этот сигнал используется в системе стабилизации падающей мощности. Ответвитель 4 с ДС предназначен для измерения мощности отраженного сигнала Pотр, а ответвитель 8 с ДС – для измерения прошедшей через исследуемый объект мощности Pпрох. Тракт оканчивается согласованной нагрузкой 7. Результаты измерения можно визуально наблюдать на дисплее индикатора и считывать со шкал прибора или автоматически снимать с разъема «Самописец» данного индикатора через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9 в память персонального компьютера 10, где производится обработка результатов, которые выводятся в удобной для исследования форме [87]. Таким образом, осуществленная автоматизация процесса измерения существенно сокращает время измерений, повышает точность измерений и облегчает обработку результатов исследования. За счет сокращения времени измерения увеличен набор статистики, чем обеспечен рост метрологических характеристик [92].

Во второй главе показано, что измерения электромагнитных характеристик в случае близко расположенных рупорных преобразователях приводят к значительным погрешностям. Однако и этот вариант установки возможно использовать для качественной оценки изменения электромагнитных свойств одинаковых по толщине образцов, при вариации состава, концентрации активной фазы или технологии приготовления. Установка применима для исследования спектров коэффициентов прохождения и отражения образцов, линейные размеры которых более 50 мм, для материалов со средними и малыми значениями электромагнитных потерь (tg, < 0,1).

3.2 Измерительный комплекс с квазиоптическими линзами Для измерения электромагнитных параметров материалов с большими потерями при относительно небольших площадях образцов необходимо компенсировать снижение показателя сигнал/шум, вызванного увеличением расстояния между рупорами с целью формирования плоского фронта. Это достигнуто установкой квазиоптических тефлоновых линз с фокусным расстоянием 120 мм, изготовленных из фторопласта-4 (Ф-4). Расстояние от линз до рупоров подбиралось экспериментально по наибольшему уровню прошедшего сигнала при отсутствии образца между рупорами. Благодаря введению квазиоптических линз удалось повысить уровень сигнала на 30 дБ. Для исследования образцов, диаметр которых не менее 50 мм, использовалась диафрагма, изготовленная из поглощающего материала с круглым отверстием диаметром 45 мм [87]. Выбор размера отверстия вызван необходимостью технологическими трудностями изготовления либо стоимостью исходных компонентов, а поглотитель необходим для устранения трудноучитываемых дифракционных эффектов.

Блок-схема установки приведена на рисунке 3.2. Обозначения основных элементов такие же, что и на рисунке 3.1.

Рисунок 3.2 – Блок-схема измерительной установки с двумя линзами Добавленная тефлоновая фокусирующая линза 6 формирует волновой пучок с плоским фронтом, который поступает на диафрагму, закрепленная на держателе образца 7. На обратной стороне диафрагмы крепится плоскопараллельный образец исследуемого материала 8. Далее с помощью еще одной линзы 9 и рупора 10 осуществляется обратная фокусировка СВЧ мощности в направленный ответвитель 12. Волноводный тракт оканчивается согласованной нагрузкой 11.

Достоверность результатов, получаемых на этой установке, оценивалась, как и ранее, сравнением измеренного электромагнитного отклика от образцов с известными свойствами с расчетом для плосковолнового приближения.

электромагнитного отклика образцов относительно небольших размеров, но проведенные пробные исследования материалов с большими диэлектрическими (полимерные образцы с многостенными углеродными нанотрубками [87]) и магнитными (композит на основе карбонильного железа [88]) потерями показали, что принимаемый сигнал теряется на фоне шумов. Это связано с тем, что на образец подается относительно небольшая доля мощности, излучаемая генератором, остальная падает на поглотитель.

3.3 Измерительный комплекс с линзовым волноводом Блок-схема измерительной установки с четырьмя линзами представлена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 – Блок-схема измерительной установки с четырьмя линзами концентрации ее на образце были добавлены еще две линзы с фокусным расстоянием 60 мм. Концентрация мощности при таком изменении конструкции установки оказалась достаточной для объектов, исследованных в данной работе.

Фокусировка позволяет проводить измерения электромагнитного отклика и электромагнитных характеристик листовых материалов с поперечными размерами, меньшими, чем 50 мм. В этом случае применяется держатель образца с меньшим отверстием (диаметром 20 мм) в диафрагме и дополнительной фокусировкой излучения на образце с помощью линз 13, 14 [93, 94].

Этот вариант установки может быть использован также для более детального рассмотрения электромагнитных характеристик образцов больших размеров с целью выявления локальных неоднородностей, которые могут проявиться в процессе изготовления или эксплуатации.

3.4 Измерительный комплекс на основе векторного анализатора цепей В настоящее время используются аналоговые и цифровые анализаторы цепей на основе синтезаторов частот. С помощью скалярных анализаторов цепей измеряются только модули комплексных коэффициентов отражения (R) и прохождения (T), соответственно они дают возможность определять из эксперимента на одном образце только две величины: или значения ', '' при известных ', '' или наоборот. Среди отечественных скалярных анализаторов заслуженное признание нашли приборы производства томской научнопроизводственной фирмы «Микран» [95].

Применение векторного анализатора цепей позволяет перейти на более высокий уровень качества измерений, так как они позволяют измерить не только модули |R|, |T|, но и фазы отраженного R и прошедшего T, сигналов, следовательно, они позволяют вычислить все составляющие комплексных значений диэлектрической и магнитной проницаемостей при одной установке образца. Этим принципиально ускоряется процесс проведения измерений.

Электронная схема на основе синтезатора частоты позволяет обеспечить высокую точность изменения и измерения частоты во всем диапазоне перестройки, которая в настоящее время достигает 100 ГГц. Компьютерное управление перестраиваемым генератором, разработанная система калибровок микроволнового тракта, разработанный фирмой-производителем программный продукт статистической обработки принятого сигнала заслуженно определили ведущие позиции таких приборов среди радиоэлектронных средств, используемых для исследования электромагнитных параметров природных и искусственных материалов. Однако эти приборы обладают высокой стоимостью и малодоступны для многих образовательных и научных учреждений.

Блок-схема измерительной установки на основе векторного анализатора цепей Е8363В фирмы Agilent Technologies представлена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 – Блок-схема измерительной установки на основе векторного Использование векторного анализатора цепей Е8363В (1) с рабочим диапазоном частот 10 МГц – 40 ГГц упростило устройство микроволнового тракта. Он состоит из гибких высокочастотных кабелей связи; коаксиальноволноводных переходов 2 и линзового волновода.

Измерение коэффициентов прохождения и отражения не приводят к значительным временным затратам, а достоверность измерения гарантируется применением электронного калибратора Ecal фирмы-производителя векторного анализатора.

На рисунках 3.5 – 3.8 приведены результаты измерений коэффициентов прохождения СОП на векторном анализаторе цепей.

Рисунок 3.5 – Результаты оценки достоверности измерений для СОП- Коэффициент прохождения, дБ Рисунок 3.6 – Результаты оценки достоверности измерений для СОП- Коэффициент прохождения, дБ Рисунок 3.7 – Результаты оценки достоверности измерений для СОП- Рисунок 3.8 – Результаты оценки достоверности измерений для СОП- экспериментальные значения, полученные с помощью векторного анализатора цепей, в отдельных частотных точках имеют не меньший разброс, чем дают аналоговые панорамные измерители, но число точек несоизмеримо больше, а потому выбранное нами усреднение во всей рабочей полосе частот и аппроксимация экспериментальных значений полиномом второй степени снижает погрешность измерений до 0,2 дБ и менее для всех стандартных образцов [87]. Из графиков 3.5 – 3.8 видно, что результаты расчета и усредненные значения коэффициентов прохождения практически совпадают.

3.5 Достоверность и погрешность измерений применением поверенного оборудования и аттестованными методиками ЦКП компетентность.

экспериментальных средств доказана проведением измерений электромагнитного отклика на образцах материалов, прошедших метрологическую аттестацию в Сибирском научно-исследовательском институте метрологии как стандартные образцы предприятия и сравнением с результатами математического моделирования линзового волновода.

Случайная аппаратная погрешность, возникающая из-за несовершенства приемо-передающего тракта, стабильности частоты, из-за влияния температуры, которая может изменяться за время измерений, а также за счет выбранной методики (метод «свободного пространства»), когда возможно влияние случайно возникающих внешних электромагнитных полей, и принятых упрощений при выводе расчетных формул, снижается применением статистической обработки результатов измерений в полосе частот при предположении отсутствия дисперсии диэлектрической проницаемости в диапазоне частот, в котором производится усреднение.

Проведенное сравнение показало, что коэффициент прохождения измеряется с погрешностью не более 0,5 дБ для скалярного анализатора цепей, что в процентном выражении соответствует 12%, и не более 0,2 дБ для векторного анализатора цепей или 4,7%.

Кроме аппаратных погрешностей источником погрешностей может быть неточная установка образца в держателе, непараллельность граней плоского образца, неоднородность распределения частиц активной фазы в композите, технологические особенности приготовления образцов.

Снижение погрешностей за счет этих причин достигается в каждом отдельном случае: поворотом образца вокруг оси, смещением положения образца в держателе, измерением электромагнитного отклика при разных размерах диафрагмы, набором образцов одного состава, сличением результатов, полученных разными экспериментальными методами в пересекающихся участках частотного диапазона.

Измерительная установка, модернизированная добавлением линзового волновода, включающего передающий и приемный рупорные преобразователи и четыре линзы, позволяет проводить измерения коэффициента прохождения плоских образцов диэлектрических материалов с точностью не хуже 0,2 дБ в полосе частот 26–37 ГГц.

Введение дополнительных линз расширяет диапазон измерения тангенса угла диэлектрических потерь для плоскопараллельных диэлектриков в 5 раз с 0, до 1.

Показано, что предложенная модернизация и статистический метод усреднения результатов эксперимента во всей рабочей полосе частот позволяет применять аналоговые панорамные измерители коэффициентов отражения и прохождения типа Р2-65 для получения достаточно точной информации о характеристиках электромагнитного отклика.

4 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

КОМПОЗИЦИОННЫХ РАДИОМАТЕРИАЛОВ

В главе дается описание технологий получения и общих физических характеристик образцов композиционных материалов на основе углеродных нанотрубок с различными связующими, пеностеклокристаллического и мезопористого материалов. Основной объем главы занимают результаты исследований частотных зависимостей электромагнитных характеристик этих материалов Проведено сравнение значений диэлектрической проницаемости образцов композиционных материалов на основе МУНТ в различных полимерных матрицах. Материалы данной главы доложены на трех конференциях и опубликованы в 9 статьях и материалах конференций, выполненных в соавторстве. На основании проведенных автором исследований разработан материал, активно взаимодействующий с электромагнитным взаимодействием, на экспериментальные исследования электромагнитных характеристик образцов композиционных материалов, выполнял обработку результатов измерений, проводил анализ полученных данных принимал участие в обсуждении результатов, подготовке публикаций и в проведении патентного поиска.

4.1 Выбор материалов исследования В настоящее время наблюдается повышенная потребность в перспективных быстродействия, снижения энергозатрат, уменьшения массогабаритных показателей аппаратных средств, используемых в технике связи и многих бытовых приборах. Одним из наиболее важных направлений при разработке новых материалов является обеспечение электромагнитной совместимости элементов высокочастотной аппаратуры. В современной радиофизике и радиоэлектронике для этой цели широко используются композиционные радиоматериалы (КРМ), активно взаимодействующие с электромагнитным излучением микроволнового диапазона. Применение КРМ в электронных устройствах связано с простотой механической обработки, сочетанием требуемых значений электромагнитных и технологических характеристик: адгезийные свойства, эластичность, прочность и др. [96 – 99]. С помощью КРМ возможно существенно расширить полосу рабочих частот, снизить массу и толщину поглотителя электромагнитного излучения [100, 24].

Наиболее частое применение находят полимерные композиты на основе термо- и реактопластов с различными наполнителями. Анализ научных публикаций показал, что на сегодняшний момент наиболее активно исследуются нанокомпозиты на основе органических полимеров, таких как: полиамиды, полиэфиры, полиимиды, полифенилены, полиуретаны или эпоксидные смолы.

При этом основное внимание уделяется модификации полимерных КРМ различными наноразмерными наполнителями. Разработка КРМ, обладающих заданными свойствами, в том числе и электромагнитными, относится к приоритетным направлениям развития науки и экономики большинства развитых мировых держав.

На сегодняшний момент, в качестве наполнителей – активной фазы композитов, наиболее активно используют наноматериалы: наноразмерные порошки различных металлов [101], наноструктурные магнитные материалы [102] и углеродные наноразмерные структуры [103, 99].

Среди углеродных наноматериалов выделяются графены, фуллерены, луковичные структуры, одностенные и многостенные углеродные нанотрубки (ОУНТ и МУНТ). МУНТ представляют собой соединения углерода со слоями разнообразных структур, как в продольном, так и в поперечном направлении, состоящих из совокупности коаксиально вложенных друг в друга цилиндрических трубок, коаксиальных призм или скрученные в виде свитка. В отличие от многих углеродных материалов, МУНТ имеют ряд особенностей:

большая прочность на разрыв при высокой гибкости, значительная тепло- и электропроводность. Особый интерес специалистов вызывает свойство МУНТ иметь проводимость по металлическому или полупроводниковому типам в зависимости от их диаметра и хиральности.

электромагнитными характеристиками является согласование требуемых характеристик изделий и электромагнитных параметров материала, которые, в свою очередь, определяются химическим составом, структурой, технологией Экспериментальное исследование электромагнитных характеристик является основным источником информации, необходимой для создания КРМ с заданными свойствами.

Еще одним вопросом, решаемым в радиофизике, является создание многофункциональных безэховых камер и экранированных помещений из малогабаритных, негорючих и экологически чистых поглощающих материалов.

удовлетворительными электромагнитными характеристиками в широком диапазоне частот и высокими прочностными значениями. Известно, какие трудности возникают при монтаже и ремонте безэховых камер при использовании элементов, называемых «пирамидами» или «бамбуком», поэтому желательно, чтобы элементы по своим технологическим качествам были максимально приближены к строительным материалам, технология применения которых хорошо разработана. Пеноматериалы относятся к такой категории и достаточно широко применяются в строительстве [104, 105].

Механические свойства пеноматериала определяются его структурой, т.е.

размером, формой, однородностью распределения пор, а также толщиной межпоровой перегородки и составом аморфной составляющей. Механическая прочность аморфной фазы значительно повышается в присутствии частиц кристаллической фазы микро- и наноразмеров, то есть без концентрации напряжений на границе раздела фаз, приводящих к разрушению. Получение частиц таких размеров в стекле можно осуществить путем частичной кристаллизации или используя явление микроликвационного расслоения [106, 107].

Всё большее внимание исследователей из разных стран привлекают пористые металлорганические координационные полимеры в связи с их многообещающими применениями. Комбинируя ионы металлов или кластеры и разнообразные органические лиганды, можно получить огромное количество координационных полимеров с самыми разнообразными свойствами: большие площади поверхности, контролируемая пористость, низкая плотность, богатые возможности модификации как органических, так и неорганических частей каркаса и др. В последнее время пористые координационные полимеры привлекают большое внимание в связи с перспективами их широкого использования для разделения, сорбции и хранения газов, в качестве катализаторов, для создания лекарств пролонгированного действия и др.

применений. Значительный прогресс достигнут в получении микропористых (с размерами пор менее 2 нм) координационных полимеров. Переход к мезопористым каркасам (размер пор более 2 нм) позволяет значительно расширить круг использования таких пористых сорбентов [108, 109]. Прежде всего, представляет особый интерес изучить электромагнитные характеристики мезопористых полимеров для использования в качестве радиоматериалов высокочастотного диапазона.

Учитывая актуальность и многообразие задач, решаемых с помощью материалов, активно взаимодействующих с электромагнитным излучением, в качестве объектов исследования перед данной диссертационной работой выбраны:

• пеностеклокристаллический материал;

• композиты на основе мезопористых материалов;

• композиты на основе многостенных углеродных нанотрубок и наноструктурных оксидных ферримагнетиков;

4.2 Электромагнитные характеристики пеностеклокристаллического материала 4.2.1 Технология получения и основные физико-химические свойства Исследуемый пеностеклокристаллический материал получен, согласно разработанной в Томском политехническом университете технологии [105, 106], из шихты, компонентный состав которой приведен в таблице 4.1. При температуре ренгенофазового анализа на 93 % состоит из стеклофазы и 7 % кристаллической фазы в виде остаточного кварца. Пенообразующая смесь подготовлена из газообразователя (сажи) в количестве 0,5 мас.% [110, 111].

макроструктура которого представлена мелкими равномерно распределенными в теплоизоляционным материалам с улучшенными показателями прочности (таблица 4.2).

Таблица 4.1 Компонентный состав шихты и химический состав стекла Компоненты природный кремнезем Для сравнительного анализа в работе рассмотрен образец пеностекла плотностью 180 кг/м3 и прочностью 1,5 МПа, имеющий такую же мелкопористую структуру, полученный из стеклобоя.

Таблица 4.2 Характеристика пеностеклокристаллического материала Физико-механические свойства пеноматериала Характеристика поровой структуры и фазового состава межпоровой осуществляли методами рентгеноструктурного анализа (дифрактометр рентгеновский XRD-7000S, Shimadzu), ИК-спектроскопии (ИК-Фурье спектрометр Nicolet 5700), растровой электронной микроскопии (JSM-6500 F с электронным микроанализатором) и просвечивающей дифракционной электронной микроскопии (прибор JEM-2100F). Стеклокристаллический пеноматериал (ПСКМ) представляет собой пористый неорганический материал, содержащей кристаллическую фазу в виде SiO2 в количестве от 5 до (максимум) 25 мас. % и размером частиц менее 1 мкм. ПСК является аналогом традиционного пеностекла, распространенная технология производства которого основана на использовании стеклобоя листовых и тарных стекол или стеклогранулята аналогичных составов, обладающих низкой кристаллизационной способностью [112, 113].

На электронных микроснимках поровой перегородки ПСКМ наблюдаются наноразмерные структурные элементы, которые можно представить как частицы со структурой кварца или кристобалита, на поверхности которых располагаются одномерные SiO-цепочки (рисунок 4.1).

а – сканирующая электронная микроскопия; б – просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения Рисунок 4.1 – Электронно-микроскопическое изображение наноглобул межпоровой перегородки пеноматериала [112] 4.2.2 Электромагнитные свойства После предварительного исследования различных образцов ПСКМ, для дальнейших измерений были выбраны два из них, электромагнитные параметры которых представляют наибольший интерес. Образцы ПСКМ ШО-1 и ПСКМ ШД-1 отличаются количеством кристаллической фазы в виде SiO2. Образец пеностеклокристаллического материала представляет собой сильно пористую пластину черного цвета размерами 50х50 мм, толщиной 30 мм.

Коэффициент отражения от такого материала практически равен нулю из-за низкой плотности материала и шероховатости поверхности.