УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАДИОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ В СВЧ ДИАПАЗОНЕ Российский патент 2023 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к устройствам для измерения радиозащитных свойств, в частности, строительных материалов в микроволновом диапазоне и может быть использована при производстве строительных материалов, а также в показательных и образовательных целях.

Известно устройство Беляев А.А., Романов А.М., Широков В.В., Шульдешов Е.М. Измерение диэлектрической проницаемости стеклосотопласта в свободном пространстве // Труды ВИАМ, 2014, №5, состоящее из векторного анализатора цепей, излучающей и принимающей рупорной антенны, подставкой для образца, персонального компьютера, размещающееся в безэховой камере.

Недостатком данного устройства является зависимость точности измерений от внешних электромагнитных полей, что обусловлено специфическими условиями исследования - безэховой камерой, которая требует значительных затрат средств и наличия отдельного помещения.

Устройства для определения диэлектрической проницаемости в открытом пространстве являются наилучшими для исследования больших плоских образцов. Данные устройства помимо измерения диэлектрической проницаемости позволяют измерять количество энергии, проходящей через исследуемый образец, что дает возможность измерять радиопоглощающие свойства материалов. При исследовании физических свойств строительных материалов важным фактором является их структурная макро- и микро-неоднородность, характеризующаяся наличием различных кристаллических структур, газовых и водных полостей, инородных включений, неравномерностью распределения структурных элементов. Как следствие для достижения объективных результатов исследования необходимо применять образцы обладающие квазиоднородной структурой, что обеспечивается их размером, в несколько раз превышающим средние размеры структурной неоднородности.

Также существуют резонансные методы измерения диэлектрической проницаемости, однако они не применимы для измерения характеристик большинства строительных материалов, так как рассчитаны для определения диэлектрической проницаемости тонких образцов. Помимо этого, резонансные методы обладают частотной узкополосностью из-за резонансных свойств измерительных ячеек, что снижает возможный спектр исследуемых частот без смены ячейки.

Известно, что помещение образца в электромагнитное поле вносит фазовый сдвиг, что описано в следующих работах:

Завьялов А.С. Измерение параметров материалов на сверхвысоких частотах: учебное пособие / А.С. Завьялов, Г.Е. Дунаевский; редактор B.C. Корогодов; Томский государственный университет. - Томск: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский Томский государственный университет, 1985. - 214 с. - EDN RXCWMD,

Гусев Ю.А. Основы диэлектрической спектроскопии. - Казань: КГУ, 2008. - 112 с.

Наиболее близким по техническому решению является устройство, описанное в патенте №2665593 С1, Российская Федерация, МПК G01R 27/26. Способ измерения диэлектрических свойств материала и устройство для его осуществления, №2017133699: заявл. 27.09.2017: опубл. 31.08.2018 / В.П. Крылов, И.В. Подольхов, В.А. Минкин; заявитель Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина". - EDN DWCMNX. Данное устройство состоит из: корпуса в виде подставки, ячейки для размещения образца, излучающей рупорной антенны, двух линейно-поляризованных принимающих рупорных антенн, поворотной платформы для рупорных антенн, управляющего компьютера, векторного анализатора цепей и коммутатора.

Недостатком прототипа являются его ограниченные возможности. Это связано с тем, что он предназначен для измерения диэлектрической проницаемости материала и не характеризует степень полного снижения мощности излучения образцом, помещенным между двумя рупорными антеннами. Также устройство не обеспечивает компенсацию внутренних переотражений и внешних помех. Известно, что внесение диэлектрика в свободном пространстве между источником и приемником сигнала вносит фазовый сдвиг, в данном устройстве отсутствует система компенсации таких искажений.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей за счет минимизации влияния внешних факторов, волновых эффектов и переотражений внутри корпуса установки при определении радиозащитных характеристик основных типов строительных материалов в СВЧ диапазоне.

Задача решается за счет того, что комплекс для определения радиозащитных свойств материалов в СВЧ диапазоне включает корпус, векторный анализатор цепей, соединенный с управляющим компьютером за счет коммуникационного канала, излучающую и принимающую рупорные антенны и ячейку размещения образца.

В предложенном решении радиопоглощающий корпус имеет двойные стенки из радиопрозрачного материала, зазор между которыми заполнен водонасыщенным суперабсорбирующим полимером, при этом излучающая и принимающая рупорные антенны связаны проводными каналами связи с векторным анализатором и соосно размещены в корпусе по обе стороны от ячейки размещения образца, причем принимающая рупорная антенна имеет возможность линейного перемещения вдоль оси перпендикулярной плоскости размещения образца, а излучающая рупорная антенна размещается на расстоянии менее 5 мм от исследуемого образца.

Выполнение корпуса с двойными радиопрозрачными (например, из полиметилметакрилата или полистирола) стенками обеспечивает возможность заполнения зазора между ними водонасыщенными суперабсорбирующими полимерами (например полиакрилатом натрия или полиакрилатом калия), что в свою очередь значительно снижает мощность электромагнитного излучения, попадающего за пределы корпуса и препятствует проникновению волн извне на принимающую рупорную антенну и как следствие снижает вносимые помехи при проведении измерений.

Возможность перемещения принимающей рупорной антенны позволяет компенсировать фазовую ошибку, вносимую при помещении образца в измерительную ячейку.

Размещение излучающей рупорной антенны на расстоянии менее 5 мм от исследуемого образца позволяет минимизировать влияние дифракции на точность измерений.

Приведенное в описании и формуле расстояние от излучающей рупорной антенны до образца, менее 5 мм, является оптимальным по величине (для решения поставленной задачи) и получено при проведении опытно-промышленных испытаний в лаборатории синтеза и исследования материалов кафедры материаловедения и технологии материалов БГТУ им. В.Г. Шухова.

Таким образом совокупность отличительных признаков предлагаемого решения обеспечит расширение технологических возможностей за счет определения с высокой точностью и минимизацией влияния внешних факторов параметра S12 (S21), который в свою очередь характеризует количество поглощенного СВЧ излучения образцом.

На фиг. 1 представлена схема заявленной установки.

На фиг. 2 представлен график, отображающий эффективность применения водонасыщенных суперабсорбирующих полимеров (полиакрилат натрия) в качестве заполнения корпуса установки.

Комплекс для определения радиозащитных свойств материалов в СВЧ диапазоне содержит векторный анализатор цепей 1, который генерирует сигналы на порте 2. Сигнал по проводному каналу связи (коаксиальному кабелю) 3 поступает в излучающую рупорную антенну 4, где преобразуется в электромагнитную волну. Волна проходит через исследуемый образец 5, расположенный в измерительной ячейке 6, где теряет часть своей энергии. Пройдя через образец 5, волна попадает на принимающую рупорную антенну 7, где преобразуется в электрический сигнал, который через проводной канал связи (коаксиальный кабель) 8 попадает на принимающий порт 9 векторного анализатора цепей 1. Векторный анализатор цепей 1 обрабатывает полученный сигнал и по разнице мощности на порте 2 и порте 9 векторного анализатора цепей, вычисляет степень снижения мощности сигнала, которую представляет в виде параметра S12 (прямое прохождение сигнала из порта 2 в порт 9) и S21 (обратное прохождение сигнала из порта 9 в порт 2). Радиозащитный корпус 10 коробчатого типа, имеет двойные стенки, пространство между которыми заполнено водонасыщенными суперабсорбирующими полимерами, например полиактрилатом натрия. Результаты измерений за счет коммуникационного канала связи выводятся на подключенный к векторному анализатору цепей персональный компьютер 11 в виде графиков и/или таблиц. Для обеспечения перемещения принимающей антенны 7 используется, например, винтовой механизм 12, состоящий из неподвижной гайки и ходового винта.

Комплекс для определения радиозащитных свойств материалов в СВЧ диапазоне работает следующим образом.

Перед началом измерений при пустой измерительной ячейке 6 размещения образца 5 производится калибровка векторного анализатора цепей 1. Для этого принимающая рупорная антенна 7 при помощи, например, винтового механизма 12, устанавливается на расстояние, величина которого в зависимости от характеристик материала образца 5, определяется предварительно, например, для цементных образцов это расстояние составляет 15 см от плоскости измерительной ячейки. Включается векторный анализатор цепей 1 и нативное программное обеспечение на персональном компьютере 11. В программном обеспечении выбирается измеряемый диапазон частот, согласно требуемым условиям конкретных измерений. Например, при измерении суперабсорбирующих полимеров для заполнения корпуса установки принимался диапазон частот 2000-2800 МГц на фиг. 2. На приведенном графике видно, что степень поглощения излучения в диапазоне 2000-2800 МГц составляет от 55 до 75%.

На порте 2 генерируется сигнал, который через коаксиальный кабель 3 попадает в излучательную рупорную антенну 4, где преобразуется в электромагнитную волну. Электромагнитная волна проходит через пустую ячейку 6 и попадет на принимающую рупорную антенну 7. Электромагнитная волна, попадая в принимающую рупорную антенну 7, преобразуется в электрический сигнал и по коаксиальному кабелю 8 попадает на принимающий порт 9. Радиозащитный корпус 10 снижает мощность излучаемой установкой электромагнитной волны за пределы корпуса 10, а также препятствует проникновению на принимающую рупорную антенну 7 электромагнитных волн извне, которые могут вызвать помехи или снизить точность измерений. Векторный анализатор цепей 1 анализирует полученный сигнал и выводит его уровень на экран персонального компьютера 11 в виде параметров S21(S12), которые являются логарифмической характеристикой отношения излученной и принятой мощности сигнала между портами 2 и 9. Далее принимающая рупорная антенна 7 перемещается таким образом, чтобы параметр S21(S12) в диапазоне расстояний , где λ - длина волны излучаемого сигнала, был минимальным, величина параметра S21(S12) отображается на мониторе компьютера 11. Для приведения проходящего сигнала к 0 дБ (100%), производят калибровку по одной из следующих известных методик:

1) SOLT (Short - короткозамкнутая нагрузка (КЗ), Open - нагрузка холостого хода (XX), Load - согласованная нагрузка (СН) и Thru - перемычка между портами).

2) TRL (Thru-Reflect-Line - перемычка-отражение-линия) или TRM (Thru-Reflect-Match - перемычка-отражение-согласование).

После приведения показаний к 0 дБ в измерительную ячейку 6 помещается образец 5. При помещении образца 5 в измерительную ячейку 6 образец 5 поглощает часть излучения и вносит фазовый сдвиг, величина которого зависит от материала образца. Фазовый сдвиг компенсируется путем перемещения принимающей рупорной антенны 7, при помощи, например, винтового механизма 12 на расстояние в пределах , где λ - длина волны излучаемого сигнала, таким образом, чтобы показания были минимальны. Полученный результат отображается на экране компьютера 11 в виде графика, показывающего зависимость уровня проходящего сигнала от частоты излучения.

При необходимости можно вычислить коэффициент прохождения сигнала, выраженный в процентах по формуле:

, где a_S21 - коэффициент прохождения сигнала

При необходимости получения S12 или S21 параметра из коэффициента прохождения сигнала применяют следующую формулу:

, где a_S21 - коэффициент прохождения сигнала

При необходимости проведения измерений без калибровки допускается применять следующие формулы:

, где S21_св - измеренный параметр S21 в свободном пространстве по воздуху, S21_изм - измеренный параметр S21 с помещенным образцом в исследуемую ячейку.

Установка по предлагаемому техническому решению позволяет проводить измерение количества проходящей энергии через исследуемый образец и методом математических преобразований получать коэффициент снижения мощности излучения.

Применение установки по предлагаемому техническому решению позволит проводить измерение радиозащитных свойств образцов строительных материалов с достаточной точностью в широкой полосе частот.

Для снижения влияния волновых эффектов необходимо применять образцы с геометрическими размерами в направлении, перпендикулярном распространению волны минимум на 50 мм больше размера апертуры принимающей рупорной антенны. Толщина образца должна обеспечивать квазиоднородность макроструктуры для большинства строительных материалов толщина образца должна быть не менее 10 диаметров наиболее крупных частиц или включений. Влияние фазового сдвига компенсируется за счет устройства перемещения принимающей антенны.

Фазовый сдвиг при внесении диэлектрика в установке компенсируется при помощи устройства перемещения принимающей антенны.

Изобретение относится к устройствам для измерения радиозащитных свойств, в частности, строительных материалов в микроволновом диапазоне, и может быть использовано при производстве строительных материалов, а также в показательных и образовательных целях. Сущность заявленного решения заключается в том, что комплекс для определения радиозащитных свойств материалов в СВЧ диапазоне включает корпус 10, векторный анализатор цепей 1, соединенный с управляющим компьютером 11 за счет коммуникационного канала, излучающую 4 и принимающую 7 рупорные антенны и ячейку 6 размещения образца 5. В предложенном решении радиопоглощающий корпус 10 имеет двойные стенки из радиопрозрачного материала, зазор между которыми заполнен водонасыщенным суперабсорбирующим полимером, при этом излучающая и принимающая рупорные антенны связаны проводными каналами связи с векторным анализатором и соосно размещены в корпусе по обе стороны от ячейки размещения образца, причем принимающая рупорная антенна имеет возможность линейного перемещения вдоль оси, перпендикулярной плоскости размещения образца, а излучающая рупорная антенна размещается на расстоянии менее 5 мм от исследуемого образца. Выполнение корпуса с двойными радиопрозрачными (например, из полиметилметакрилата или полистирола) стенками обеспечивает возможность заполнения зазора между ними водонасыщенными суперабсорбирующими полимерами (например, полиакрилатом натрия или полиакрилатом калия), что в свою очередь значительно снижает мощность электромагнитного излучения, попадающего за пределы корпуса, и препятствует проникновению волн извне на принимающую рупорную антенну и, как следствие, снижает вносимые помехи при проведении измерений. Возможность перемещения принимающей рупорной антенны позволяет компенсировать фазовую ошибку, вносимую при помещении образца в измерительную ячейку. Размещение излучающей рупорной антенны на расстоянии менее 5 мм от исследуемого образца позволяет минимизировать влияние дифракции на точность измерений. Техническим результатом при реализации заявленного решения является расширение технологических возможностей за счет минимизации влияния внешних факторов, волновых эффектов и переотражений внутри корпуса установки при определении радиозащитных характеристик основных типов строительных материалов в СВЧ диапазоне. 2 ил.

Комплекс для определения радиозащитных свойств материалов в СВЧ диапазоне, включающий корпус, векторный анализатор цепей, соединенный с управляющим компьютером за счет коммуникационного канала, излучающую и принимающую рупорные антенны и ячейку размещения образца, отличающийся тем, что радиопоглощающий корпус имеет двойные стенки из радиопрозрачного материала, зазор между которыми заполнен водонасыщенным суперабсорбирующим полимером, при этом излучающая и принимающая рупорные антенны связаны проводными каналами связи с векторным анализатором и соосно размещены в корпусе по обе стороны от ячейки размещения образца, причем принимающая рупорная антенна имеет возможность линейного перемещения вдоль оси, перпендикулярной плоскости размещения образца, а излучающая рупорная антенна размещается на расстоянии менее 5 мм от исследуемого образца.