Введение

В настоящее время в повседневную жизнь все шире внедряется радиотехническая аппаратура – как излучающая, так и принимающая электромагнитные волны на сверхвысоких частотах. Это аппаратура сотовой связи и всевозможные беспроводные устройства – например, для организации локальных беспроводных сетей (Bluetooth и Wi-Fi) и глобальных беспроводных сетей на основе GPRS, CSD, LTE, HSPA, 2G, 3G, 4G и 5G. При этом взаимовлияние на сверхвысоких частотах как отдельных устройств, так и узлов и блоков внутри устройств зачастую оказывается довольно значительным и затрудняющим нормальную работу оборудования. Одним из способов решения этой проблемы является применение материалов, поглощающих электромагнитное излучение.

Начиная приблизительно с середины прошлого века все больше внимания уделяется композиционным и функциональным материалам и их применению в различных целях [1–6]. Необходимо отметить, что за прошедшие несколько десятилетий широкое применение (как в промышленности, так и в бытовых устройствах) получили радиопоглощающие материалы, обеспечивающие поглощение электромагнитного излучения, – для обеспечения электромагнитной совместимости различных радиотехнических устройств, используемых в сотовой связи и при создании беспроводных сетей. В процессе разработки и при поставке радиопоглощающих материалов, особенно собранных из нескольких слоев и работающих в широкой полосе частот, очень важным моментом является достоверность измерения на экспериментальных установках коэффициента отражения. Наиболее часто для этих целей в последние десятилетия используют анализаторы цепей. При этом зачастую проводят просто измерения коэффициента отражения образцов материалов, плотно прижатых или к открытому концу волновода, или к раскрыву рупорной антенны, без учета влияния неоднородностей измерительного тракта (коаксиальных и коаксиально-волноводных переходов).

В данной статье обсуждаются особенности измерения коэффициентов отражения радиопоглощающих материалов с помощью современных анализаторов цепей на сверхвысоких частотах. Приведены результаты измерений одного из типовых радиопоглощающих материалов с использованием анализатора цепей и сделано их сравнение с результатами измерений с помощью панорамного измерителя коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН).

Материалы и методы

При существующей практике изучение свойств материалов на сверхвысоких частотах основано на исследовании распространения электромагнитных волн как в самом материале, так и на границе раздела «материал–среда». При этом образцы материалов как минимум имеют две  плоскопараллельные границы. Обычно используются следующие методы измерения параметров материалов [7–23]:

– квазиоптические, основанные на измерении коэффициентов отражения и прохождения электромагнитной волны от слоя материала;

– волноводные, основанные на измерении параметров двух- или четырехполюсника, представляющего собой отрезок волновода с помещенным внутрь образцом материала;

– резонаторные, основанные на измерении изменения резонансной частоты и добротности резонатора при внесении в резонатор образца материала.

В данной статье рассмотрены квазиоптические методы измерения коэффициента отражения.

Необходимо учесть, что понятие коэффициента отражения без дальнейших уточнений неоднозначно. Комплексный коэффициент отражения (безразмерная величина) по напряженности электрического поля  (магнитного поля ) определяется как отношение комплексных амплитуд напряженности электрического поля (магнитного поля) отраженной 

                                            (1)

  =-                                                                 (2)

Коэффициент отражения «по мощности» ρ (безразмерная величина) определяется как отношение потоков мощности отраженной и падающей волн:

                                                            (3)

или в процентах

ρ_%=100∙ρ.                                                                     (4)

Чаще всего коэффициент отражения ρ_дБвыражают в дБ (отрицательная величина):

                                            (5)

В ряде случаев используют модуль коэффициента отражения, называя его коэффициентом отражения «по напряженности поля», хотя более правильно называть коэффициентом отражения «по модулю». Коэффициент отражения по модулю ρ_мод (безразмерная величина) определяется как отношение модулей соответствующих напряженностей отраженной и падающей волн:

                                                           (6)

или в процентах

ρ_мод%=100·ρ_мод.                                                                   (7)

Интервал измеряемых величин коэффициента отражения, как правило, находится в пределах от -30 до 0 дБ по мощности или соответственно – от 0,1 до 100%.

В качестве типового радиопоглощающего материала использовали листовой радиопоглощающий материал толщиной 1,5 мм на основе каучука, наполненного 80% (по массе) порошка карбонильного железа марки Р-10.

Для измерений использовали следующие технические средства измерений.

1. Анализатор цепей векторный N5230А/С-420 фирмы Agilent Technologies со следующими основными параметрами:

Основные метрологические характеристики анализатора цепей N5230А/С-420:

2. Приемопередающая антенна П6-59 со следующими основными параметрами:

3. Панорамный измеритель КСВН Р2-61 со следующими основными параметрами:

Из приведенных характеристик видно, что динамический диапазон анализатора цепей N5230A/C-420 (90 дБ) значительно превышает динамический диапазон измерителя КСВН Р2-61 (35 дБ). Ориентируясь на приведенные параметры, некоторые разработчики радиопоглощающих материалов считают возможным проводить измерения коэффициента отражения радиопоглощающих материалов с использованием анализаторов цепей такого типа путем прямых измерений, как это делалось ранее с использованием панорамных измерителей КСВН с волноводными трактами. При этом учитывается большой положительный опыт проведения измерений коэффициентов отражения радиопоглощающих материалов с использованием панорамных измерителей КСВН с волноводными рефлектометрами, в том числе в производственных условиях, но совершенно не учитываются погрешности, вносимые коаксиально-волноводными переходами и сверхвысокочастотными кабелями, используемыми в анализаторах цепей.

Сначала рассмотрим процедуру измерения коэффициента отражения в соответствии с методикой МИ1.2.047–2012 «Методика измерения коэффициента отражения в свободном пространстве в диапазоне частот от 0,1 до 40 ГГц» (зарегистрирована в Федеральном реестре по обеспечению единства измерений под №ФР.1.37.2012.13172).

Измерения коэффициента отражения при этом выполняют методом, основанным на сравнении уровней электромагнитной волны, отраженной от эквивалента отражателя с ρ=1 (металлической поверхности) и от образца радиопоглощающего материала. Сигнал падающей волны с одного из портов анализатора цепей через фидерный тракт поступает на антенну, облучающую испытываемый образец, расположенный на металлической подложке. С целью уменьшения уровня помех от окружающих предметов образец располагается в ближней зоне антенны. Отраженный от образца сигнал через антенну и фидерный тракт поступает на упомянутый порт анализатора цепей.

С помощью встроенного программного обеспечения применяемого векторного анализатора цепей можно индицировать измеренные на входе антенны значения комплексного коэффициента отражения по напряженности электрического поляρ_E изм, коэффициента отражения по модулю ρ_{мод изм} и коэффициента отражения в децибелах ρ_{дБ изм}.

В методе предусмотрено выделение сигнала, отраженного от образца, из суммы сигналов, отраженных соответственно от образца и от антенно-фидерного тракта, приведенного к раскрыву рупорной антенны.

Обычно определяемой величиной, характеризующей образец, является коэффициент отражения по мощности ρ_обр или коэффициент отражения в децибелах ρ_{дБ обр}. Измеренная величина коэффициента отражения ρ_изм при каком-либо одном определенном положении образца относительно раскрыва антенны является суммарным коэффициентом отражения от образца и от антенно-фидерной системы, приведенным к плоскости, в которой производится измерение образца. Коэффициент отражения антенно-фидерной системы обусловлен отражениями электромагнитной волны на входе-выходе антенны и отражениями в неоднородностях фидерной системы. Собственная величина коэффициента отражения антенно-фидерной системы практически не зависит от свойств образца, образец может повлиять на отражательные свойства самой антенны только при непосредственном соприкосновении (контакте) образца с раскрывом антенны (влияние на ближнее поле антенны).

После проведения калибровки с помощью эквивалента отражателя с ρ=1 (металлического экрана) измеренный коэффициент отражения отражателя индицируется как 1 (100%) или 0 дБ, а измеренные значения коэффициента отражения образца индицируются относительно коэффициента отражения от металлического экрана как доли единицы или как отрицательные значения в децибелах. При этом собственное отражение антенны может внести значительную ошибку в результат измерения коэффициента отражения образца (ρ_изм).

Выделение коэффициента отражения образца из суммарного коэффициента отражения осуществляется с помощью определения максимальной и минимальной величины коэффициента отражения «по модулю» при перемещении образца относительно раскрыва антенны вдоль ее оси. При перемещении образца относительно антенны меняется фаза сигнала, отраженного от образца, и, следовательно, разность фаз между коэффициентом отражения от антенны и коэффициентом отражения от образца, при этом периодически наблюдаются положения образца относительно антенны, при которых отраженные сигналы будут складываться в фазе (сумма модулей) и будут индицироваться максимумы ρ_{мод макс}, и положения образца, при которых отраженные сигналы складываются в противофазе (разность модулей) и будут индицироваться минимумы ρ_{мод мин}:

ρ_{мод макс} = ρ_{мод обр} + ρ_мод а;                                                       (8)

ρ_{мод мин} = |ρ_{мод обр –} ρ_мод а|,                                                       (9)

где ρ_{мод обр}, ρ_{мод а}  – соответственно модуль коэффициента отражения образца и антенны (безразмерная величина). Величину ρ_{мод обр} определяют следующие соотношения:

Величина ρ_{мод а} должна быть предварительно измерена в свободном пространстве или при условиях, имитирующих свободное пространство.

Измерения коэффициента отражения проводили на стенде, функциональная схема которого приведена на рис. 1. В состав стенда входят анализатор цепей векторный N5230А/С-420 фирмы Agilent Technologies с антенной П6-59. Измерения проводили в режиме одной приемопередающей антенны (определение параметра S₁₁ образца). В процессе измерений апертура антенны параллельна поверхности образца. Образец находится в ближней зоне антенны. Порт 1 анализатора цепей подключен к приемопередающей антенне. Перед измерением коэффициента отражения проводится калибровка системы «анализатор цепей–антенна» при отсутствии образца и при перекрытой эквивалентом отражателя с ρ=1 апертурой антенны.

Рис. 1. Функциональная схема стенда с использованием анализатора цепей для измерения коэффициента отражения (ρ) образца радиопоглощающего материала:

1 – анализатор цепей векторный N5230А/С-420 фирмы Agilent Technologies; 2 – кабель СВЧ; 3 – приемопередающая антенна; 4 – образец радиопоглощающего материала; 5 – стойка для установки антенн и перемещения образца; 6 – персональный компьютер; 7 – эквивалент отражателя с ρ=1

Таким образом, при измерениях по МИ1.2.047–2012 измеряемый образец перемещается относительно раскрыва антенны вдоль ее оси.

При прямых измерениях коэффициента отражения с использованием анализаторов цепей проводится сравнение коэффициентов отражения рупорной антенны от металлического экрана и от образца радиопоглощающего материала, располагающихся непосредственно на раскрыве рупорной антенны, без перемещения образца.

Измерения с использованием панорамного измерителя КСВН Р2-61 проводили в соответствии с РТМ1.2.171–2002 «Оценка коэффициента отражений материалов и элементов изделий». Функциональная схема стенда приведена на рис. 2.

Рис. 2. Функциональная схема стенда с использованием панорамного измерителя КСВН Р2-61 для измерения коэффициента отражения образца радиопоглощающего материала:

1 – переход коаксиально-волноводный; 2 – детектор направленной падающей волны;
3 – детектор направленной отраженной волны; 4 – рупорная антенна; 5 – кабель многожильный; 6 – кабель коаксиальный НЧ; 7 – кабель СВЧ

При измерениях с использованием панорамного измерителя КСВН Р2-61 проводят сравнение коэффициентов отражения рупорной антенны от металлического экрана и от образца радиопоглощающего материала, располагающихся непосредственно на раскрыве рупорной антенны. По сути, такие измерения также можно считать прямыми измерениями, что и является основанием для проведения прямых измерений и с помощью анализаторов цепей.

Результаты и обсуждение

Проведены измерения коэффициента отражения пяти образцов типового радиопоглощающего материала толщиной 1,5 мм на основе каучука, наполненного порошком карбонильного радиотехнического железа марки Р-10 (ГОСТ 13610–79).

Полученные усредненные по пяти образцам результаты измерений приведены в таблице.

Коэффициент отражения типового образца радиопоглощающего материала

Из полученных результатов видно, что измерения коэффициента отражения с использованием панорамного измерителя КСВН Р2-61 в соответствии с РТМ1.2.171–2002 и с использованием анализатора цепей в соответствии с МИ1.2.047–2012 практически совпадают между собой и с типовыми характеристиками исследованного образца радиопоглощающего материала и находятся в пределах допустимой ошибки.

Заключения

Таким образом, прямые измерения на анализаторе цепей не соответствуют реальным характеристикам материала, что свидетельствует о недопустимости проведения оценки коэффициента отражения радипоглощающих материалов путем прямых измерений с использованием анализаторов цепей, несмотря на значительно больший динамический диапазон современных анализаторов цепей по сравнению с панорамными измерителями КСВН.