Способ измерения комплексного коэффициента отражения материалов в ближней зоне Советский патент 1990 года по МПК G01R27/06 

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

Использование методов измерений коэффициента отражения (КО) в свободном пространстве позволяет осу- ществлять неразрушающий контроль при разработке и производстве материалов, исследовать крупноструктурные матери- алы и т.д.

Целью изобретения является повы- шение точности измерений.

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

Устройство содержит СВЧ-генератор 1, направленный ответвитель 2, прием но-передающую антенну 3, механизм 4 перемещения, исследуемый образец 5, амплифазометр 6, ЭВМ 7.

Измерение комплексного коэффициента отражения состоит из следующей последовательности операций: перемещение вдоль оптической оси антенны на расстояние, большее половины длины волны, меры КО и измерение в равноотстоящих точках, расстояние между которыми не превышает четверти длины волны, комплексных отсчетов N. амплитуды и фазы волны; перемещение вдоль оптической оси антенны исследуемого образца и измерение в тех же точках, что и меры КО, комплексных отсчетов N-0 амплитуды и фазы волны.

Под комплексными отсчетами ампли- туды и фазы волны подразумевается

N

10

N - : ш

|N,.e

IN,

а1 ,

ш

где |N,-01, I N.;M|- модули отсчета амплитуды волны в измерительном канале;

10 м Фазы волны. Комплексный коэффициент отражения исследуемого образца вычисляется по формуле

гм Z- N.-.e

W(i)

(1)

где

комплексный коэффициент отражения меры КО;

п - число отсчетов; R. - расстояние от меры КО или исследуемого образца до апертуры антенны; - длина волны в свободном пространстве;W(i) - весовая функция.

Согласно концепции парциальных волн поле между антенной и образцом может быть представлено в виде суммы парциальных плоских падающих и отраженных волн, распространяющихся под различными углами к оптической оси антенны. Структура поля в ближней зоне антенны не является плоской ТЕМ-волной. Амплитуды всех падающих на антенну парциальных волн суммируются с весовыми коэффициентами. Коэффициент отражения является функцией расстояния от апертуры антенны до образца R . Выполнив по аналогии с частотным методом анализа в радиотехнических цепях преобразование Фурье с интегрированием по параметру R. сигнала, можно найти спектральную плотность, величина которой пропорциональна амплитуде соответствующей парциальной волны. Коэффициент отражения при нормальном падении электромагнитной волны связан с парциальной волной, распространяющейся вдоль оптической оси антенны. Для этой волны пространственная частота равна

4Я / и .. - - (.знак - связан с выбором усл

ловно-положительных направлений и имет размерность ). Так как падающие на антенну парциальные волны пропорциональны коэффициентам отражения мер КО и исследуемого образца, то

45

.-

s;rf)

(2)

5

0

где S0,SM- спектральные плотности при перемещении меры КО и исследуемого образца. I

При измерениях определяется конечное число отсчетов на выбранном интервале изменения R, поэтому спектральные плотности должны вычисляться на основе дискретного преобразования Фурье (ДПФ) с весовой функцией W(i), называемой корреляционным окном, которая вводится для уменьшения влияния конечности интервала наблюдения,

5

Выбор конкретного окна не играет су- щественной роли при измерении энергии спектральных гармоник с помощью ДПФ. Критерием выбора соответствующе функции W(i) может быть требование минимизации смещения оценки спектралной плотности. Этому требованию в наибольшей степени удовлетворяют окно Кайзера-Бесселя

де

W(i)

In( )

ьяи

о/ N .

модифицированная функция Бесселя первого рода нулевого порядка; параметр, задающий полосу пропускания корреляционного окна; число отсчетов;

0Ј

. ,/ N 1(2

Окно Блэкмана-Хэрриса

W(i)a0-af- cos(-- i)+ar cos (--)- ,6f

-a

ycos(-- i),

а ...а. - весовые коэффициенты, определяемые в зависимости от уровня боковых лепестков из таблицы: ,1,2,...,N-1.

При реализации способа измерения комплексного коэффициента отражения материалов в ближней зоне применялось корреляционное окно Блэкмана-Хэрисса с уровнем боковых лепестков -67 дБ, При внесении спектральных плотнос4tтеи на частоте - - в виде дискретноА

го преобразования Фурье ДПФ с весовой функцией W(i) выражение (2) приводит- ,ся к выражению (1). Для более точно- го определения спектральных плотностей интервал наблюдения должен соот- 1ветствовать нескольким периодам исследуемой частоты, а частота дискре0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

газации превышать ее не менее, чем .-. в два раза. Поэтому перемещение меры КО и исследуемого образца осуществляют на расстояние, большее половины длины волны, а амплитуду и фазу волны регистрируют при положении меры КО и исследуемого образца в точках, расстояние между которыми не превышает четверти длины волны.

Полученные данные позволяют вычислить спектральные плотности плоских парциальных волн, распространяющихся по нормали к поверхности меры КО и исследуемого образца, и тем самым исключить влияние искажений поля в ближней зоне в связи с отличием структуры поля от ТЕМ-волны на результаты измерения комплексного коэффициента отражения.

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

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

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

Формула изобретения

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

расстояние, большее половины длины волны, дополнительно регистрируют фазу волны на выходе антенны при расстояниях между апертурой антенны и мерой коэффициента отражения и исследуемым образцом не больше четверти длины волны, а комплексный коэффициент отражения вычисляют по формуле « i Јc

ZN.0eJ (i)

р

1 м JH .

JTfl W(i)

IN, „ег1де

i

Г - комплексный коэффициент от- №

ражения меры коэффициента отражения;

п - число отсчетов; Л

длина волны в свободном пространстве;

R- - расстояние от апертуры антенны до меры коэффициента отражения исследуемого образ- ца, при котором производится отсчет;

W(i) - весовая функция; N. , N. - комплексные отсчеты амплитуды и фазы волны при перемещении исследуемого образца и меры коэффициента отражения соответственно.

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