Радиоволновой контроль

1.

Радиоволновой контроль
Радиоволновой контроль основан на измерении и обработке информации о результатах взаимодействия ВЧ и
СВЧ электромагнитного излучения с объектам и позволяет производить обнаружение и определение
местонахождения в пространстве и времени объектов, а также структуру и свойства различных проводящих и
непроводящих электрический ток материалов.
Приборы, служащие для определения с помощью радиоволн положение, расстояния и скорости
перемещающегося объекта, называют радиолокаторами или радарами ( РЛС), строительными радарами,
георадарами.
Радиолокатор состоит из ультракоротковолнового передатчика (ДМ, СМ, ММ и приёмника, которые
имеют общую приёмно-передающую антенну, создающую остронаправленное электромагнитное
излучение. Излучение осуществляется короткими импульсами. За промежуток времени между двумя
последовательными излучениями антенна переключается на приём сигнала, отражённого от объекта.
Расстояние l до предмета, отразившего радиоволны, равно
l=C۰/Δt: где Δt - промежуток времени
между посланным и принимаемым сигналами, С - скорость света. Скорость движущихся объектов в
радиолокации определяют по изменению в соответствии с эффектом Доплера частоты отраженного
электромагнитного сигнала.
Миллиметровые электромагнитные волны в СВЧ-медицинской технике используют для лечения
воспалительных процессов в области среднего уха, суставов и др. Субмиллиметровые волны – СВЧ
излучение эффективно применяют для лечения многих кожные заболевания не инфекционного характера.
СВЧ-излучение используют также в магниторезонансной
томографии для получения объемного
изображения внутренних органов.

2.

Радиоволновой контроль основан на измерении и обработке информации
результатов взаимодействия ВЧ и СВЧ с объектами, когда может
проявляться и фиксироваться:
Интерференция электромагнитных волн.
Дифракция электромагнитных волн.
Дифракционное преобразование пространственной структуры волн.
Дифракционное разложении волн по их частотному спектру.
Поляризация волн в ходе дифракции.
Изменение фазовой структуры волн вследствие дифракции.
Отражение электромагнитных волн.
Фаза и поляризация электромагнитных плоских волн при их отражении.
Колебания вектора Е в электромагнитной волне при отражении.
Коэффициент отражения плоской волны.
Преломление плоских электромагнитных волн.
Законы преломления плоской электромагнитной волны.
Коэффициент пропускания в диэлектрике плоской электромагнитной волны.

3.

Формула Максвелла. Дополнительные особенности волновых явлений
E
2
c rotB
.
0
t
j
Монохроматическая волна — модель удобная для теоретического описания явлений волновой природы,
означающая, что в спектре волны входит всего одна составляющая по частоте.
Монохроматическая волна
На практике чисто монохроматическая волна не осуществима, так как должна была бы быть бесконечной - прежде
всего, во времени. Реальные процессы излучения ограничены во времени, и поэтому под монохроматической
обычно понимается волна с очень узким спектром . Чем уже интервал, в котором находятся частоты реальной
волны, тем «монохроматичнее» излучение.
Понятие временной когерентности можно связать с контрастом интерференционной картины, наблюдаемой в
результате интерференции двух волн, исходящих из одной и той же точки поперечного сечения пучка (полученных
методом деления амплитуд). Временная когерентность волны характеризует сохранение взаимной когерентности
при временном отставании одного из таких лучей по отношению к другому. При этом мерой временной
когерентности служит время когерентности – максимально возможное время отставания одного луча по
отношению к другому, при котором их взаимная когерентность ещё сохраняется. Временная когерентность
определяется степенью монохроматичности.
На практике монохроматические волны представляются в виде цугов конечной длительности по времени,
представляющих собой гармонические во времени функции, ограниченные во временном пространстве .
Вектор Умова-Пойтинга S=[ExH] — совпадает с направлением распространения энергии в ЭМ волне, а
модуль |S| равен потоку энергии.

4.

Рефракция радиоволн
В однородных средах радиоволны распространяются прямолинейно, подобно световым лучам.
Процесс распространении радиоволн в этом случае подчиняется законам геометрической оптики.
Однако реальные среды неоднородны. В них n, а следовательно, и vф различны в разных участках среды,
что приводит к рефракции радиоволн. В случае плавных (в масштабе λ) неоднородностей справедливо
приближение геометрической оптики. Если показатель преломления зависит только от
высоты h отсчитываемой от сферической поверхности Земли или толщины объекта, то вдоль траектории
луча выполняется условие:
Соотношение представляет собой закон Снелля.
Преломления для сферически слоистой среды. Здесь R0 – радиус Земли, φ – угол наклона луча к
вертикали в произвольной точке траектории.

5.

Рассеяние электромагнитных волн
В неоднородных средах возможно волноводное распространение радиоволн, при
котором происходит локализация потока энергии между определенными
поверхностями, за счёт чего волновые поля между ними убывают с
распространением медленнее, чем в однородной среде (атмосферный волновод). В
средах с плавными неоднородностями локализация связана с рефракцией, а в
случае резких границ и с отражением.
В среде, содержащей случайные локальные неоднородности, вторичные волны
излучаются беспорядочно в различных направлениях. Рассеянные волны частично
уносят энергию исходной волны, что приводит к её ослаблению. При рассеянии на
неоднородностях размером l<< λ (так называемое рассеяние Рэлея) рассеянные
вол ны рас про ст раняют ся поч ти изот ропно . В слу чае расс еяния на
крупномасшт абных прозрачных неоднородно стях расс еянные волны
распространяются в направлениях, близких к исходной волне. При λ = l возникает
сильное резонансное рассеяние.

6.

Основы радиоволнового контроля
Радиоволновой контроль основан на измерении и обработке информации
результатов взаимодействия ВЧ и СВЧ с объектами, когда может проявляться и
фиксироваться:
Интерференция электромагнитных волн.
Поглощение электромагнитных волн.
Отражение электромагнитных волн.
Дифракция электромагнитных волн.
Преломление плоских электромагнитных волн.
Рефракция плоских электромагнитных волн.
Рассеяние электромагнитных волн.

7.

Плоские волны при распространении в средах
Плоская волна — волна, фронт которой имеет форму плоскости.
Фронт плоской волны неограничен по размерам, вектор фазовой скорости перпендикулярен фронту. Плоская волна
является частным решением волнового уравнения и удобной моделью: такая волна в природе не существует
Волна называется плоской однородной, если векторное поле ив любой точке плоскости перпендикулярны
направлению распространения и не изменяются по фазе и амплитуде.
Уравнение плоской волны
Волновое число β и длина волны λ связаны между собой формулой
Плоская электромагнитная волна распространяется вдоль оси z, тогда распространение волны описывается
системой дифференциальных уравнений
, 2 2
с
,
2 с
c
Фронт волны – это геометрическое место воображаемых точек поверхности, до которых дошло возбуждение. Фронт
волны иначе называют волновым фронтом. Уравнение волнового фронта плоской волны имеет вид
.
Отрицательный знак, т.е.
, указывает, что фронт волны распространяется вдоль положительного направления
распространения осиz. Такая волна называется бегущей, или падающей. Положительный знак фазы волны указывает на
движение фронта волны в обратном направлении, т.е. противоположном направлению оси z. Такая волна называется
отраженной.

8.

Свойства плоских электромагнитных волн
Для среды вводится понятие волнового сопротивления среды
где Еm , Hm - амплитудные значения напряженностей поля. Волновое сопротивление для среды
без потерь также является действительной величиной. Для воздуха волновое сопротивление
составляет.
2. Поле плоской волны представляет собой бегущую волну, которую записывается в виде
Рис.
Распространение
плоской
электромагнитной волны. На рис.
векторы поля Еm , Hm иизменяются
синфазно.

9.

Особенности волновых явлений
E
2
c rotB
.
0
t
j
Бегущая монохроматическая волна распространяется вдоль положительного направления распространения оси z
(волновой фронт
). Отраженная монохроматическая волна (волновой фронт ωt + βz ).
Вектор Умова-Пойтинга S=[ExH] совпадает с направлением распространения ЭМ энергии:

10.

Поглощением радиоволн называют ослабление напряженности поля радиоволн, связанное с частичным
преобразованием электромагнитной энергии в другие виды энергии и с рассеянием, при прохождении
через среду. Потери энергии при взаимодействии волны с атомами являются причиной поглощения радиоволн.
Амплитуда волны убывает с расстоянием по закону
где x – показатель поглощения, n – преломления показатель; n и x зависят от диэлектрической проницаемости среды, её
проводимости и частоты волн ω: а фаза волны изменяется по закону
Где tgδ - тангенс угла потерь, фазовая скорость v = c/n. Среда ведёт себя как диэлектрик если tgδ <<1 и как
проводник если tgδ >>1. В среде ε и σ являются функциями частоты. Вид частотной зависимости
определяется структурой среды.

11.

Затухание электромагнитных волн- потери в средах и
линиях передачи
На практике линии выполненные из несовершенных проводников и диэлектриков. При
распространении электромагнитных волн имеют место потери, которые связаны с потерей части
мощности переносимой волной на тепловые потери.
Тепловые потери учитываются комплексным характером постоянной распространения
Г j ,
где
- фазовая постоянная (постоянная распространения), - коэффициент затухания. Тогда
A( x, y, z ) Am ( x, y ) e z e j z
Первые два множителя представляют амплитуду поля волны, убывающую по экспоненциальному
закону в направлении распространения, последний множитель является множителем бегущей волны.
Фазовая постоянная определяет длину волны и
фазовую скорость
Vф
w
. Коэффициент затухания определяется как
A z 0
дБ
20 lg
A z 1 м
м
Мощность в в среде с потерями в соответствии с указанным амплитудным изменением поля волны
изменяется как .
2 z
P( z ) P0 e

12.

Отражение электромагнитных волн
Колебания вектора Е в плоской электромагнитной волне при отражении.
E ( z ) E ( ) ( z ) E ( ) ( z )
(1)
( )
( )
H ( z ) H ( z ) H ( z )
Появление обратной волны в линии передачи можно рассматривать как результат отражения прямой волны
от конца линии. Определим коэффициент отражения
E ( ) ( z )
H ( ) ( z)
P( z ) ( )
P( z ) ( )
(2)
E ( z )
H ( z)
E ( z ) E ( ) ( z )(1 p( z ))
Тогда из (1)
(3)
( )
H ( z ) H ( z )(1 p ( z ))
Вычислим мощность в некотором сечении среды
1
E Re[ E H * ];
2

13.

Поляризованные электромагнитные волны
При падении продольной волны на границу раздела двух сред возникают токи
смещения и напряжения, ориентированные только в плоскости падения. Следовательно,
векторы смещения частиц в отраженных и преломленных волнах лежат в этой же
плоскости. Для продольных волн эти векторы ориентированы вдоль направления
распространения волны, для поперечных — перпендикулярно ему. В данном случае
поперечная волна линейно поляризована в плоскости падения.
Поляризация электромагнитных волн возникает ходе их отражения и дифракции. При
отражении от поверхности вектор Е колеблется в горизонтальной плоскости. Фазовая
структура поляризации электромагнитных волн изменяется вследствие дифракции.

14.

Линейно-поляризованная электроматная волна
Красные стрелки – колебания
вектора E, красная плоскость –
плоскость колебания вектора E

15.

Электромагнитная волна с круговой поляризацией
Красные стрелки – колебания
вектора E по круговой спирали
перпендикулярно
направлению
распространения электромагнитной
волны

16.

ВЧ И СВЧ линии передачи
СВЧ Линия передачи — устройство, ограничивающее область
распространения
электромагнитных
колебаний
и
направляющее
поток радиочастотной электромагнитной энергии в
заданном направлении.
Термин линия передачи употребляется в радиочастотной технике,
использующей электромагнитные волны таких частот, для которых
должен
учитываться
их
волновой
характер
(например,
в
технике сверхвысоких частот).

17.

Виды ВЧ и СВЧ линий передач
Диэлектрическая (по форме сечения круглая, прямоугольная и др.)
Однопроводная (по форме сечения проводника: круглая, ленточная Двухпроводная
(симметричная и несимметричная, с одинаковой и разной формой сечения проводников, по
форме сечения проводников круглая, ленточная)
Волновод односвязный (круглый, прямоугольный, П-образный, H-образный)
Коаксиальный волновод (круглый, прямоугольный)
Полосковая линия (симметричная, несимметричная)
Микрополосковая линия
SIW-волновод (волновод, интегрированный в подложку печатной платы)

18.

Линии передачи
Линия передачи – это направляющая система для электромагнитных волн.
Электромагнитные волны, которые распространяются в линии передачи, называют
направляемыми электромагнитными волнами.
Представим в поперечном сечении линии произвольную составляющую электрического или
магнитного поля в виде комплексной амплитуды поля,
A x, y, z A1 x, y e
jГz
где A1 - распространение
поля в плоскости
поперечного сечения
e jГz - множитель бегущей
волны, Г – постоянная
распространения
2
волны Г
, где
длина волны
-
В свободном пространстве.
2
k
- рабочая длина
волны

19.

Характеристики линий передачи
1. По типу направляемых электромагнитных волн:
а) волна типа ТЕМ (Т) (в волноводах распространяться не может) - отсутствие
продольных составляющих Ez 0, H z 0 . Составляющие поля находятся только в
плоскости поперечного сечения (коаксиальная линия, двухпроводная линия)
б) волны типа Н (ТЕ), H z 0( Ez 0), волны типа Е (ТН) H z 0( Ez 0)
волноводные – линии различного типа
в) волны смешанного, гибридного типа
( ЕН, НЕ) Ez 0 H z 0 распространяются в оптических волноводах,
полосковых линиях.

20.

Волновое сопротивление линии
- волновое сопротивление линии ,
=
Ex2 E y 2 ,
Для волн типа Е и Н. волновое сопротивление зависит от частоты.
=
H x2 H y 2

21.

Максимальная пропускаемая мощность в линии передачи
Предельная мощность, которую можно передать по линии передачи ограничена явлениями
электрического и теплового пробоя.
Наиболее критичным является электрический пробой.
Напряженность поля , при которой электрический пробой в нормальных условиях Еп = 30 кв/см.
Мощность, при которой возможен электрический пробой, называется предельной мощностью.
Допустимая мощность
Pgon
где N – коэффициент запаса, N = 3 - 5.
Pпред
N
,

22.

Основные требования, предъявляемые к линии передачи
•Линия передачи должна рассчитана так, чтобы в ней распространялась одна волна основного тип. Если предположить,
что в линии передачи на ряду с основной волной,
распространяются высшие типы волны, то происходят
интерференции полей этих волн. В результате в линии передачи может возникнуть режим стоячей волны. В результате
изменяется условие передачи мощности от генератора в линию передачи, изменяется напряженность поля, что
увеличивает опасность электрического пробоя, увеличивает затухание в линии передачи, ухудшаются диапазонные
свойства линии.
2. Линия передачи должна обеспечивать минимальный коэффициент затухания.
3. Линия передачи должна обеспечить достаточную электрическую прочность.
4. Линия передачи должна обеспечить требуемые диапазонные свойства.
5. Линия передачи должна отвечать конструктивным требованиям.
Основные типы линии передачи
1. Длинные линии – линии, рассчитанные на распространение волн типа ТЕМ.
2. Волноводы, в которых распространяются волны типа Е и Н.
3. Линии передачи поверхностных волн, в которых распространяются волны смешанного типа (диэлектрические
волноводы).
4. Лучеводы, оптические линии передач.

23.

Прямоугольные СВЧ волноводы
Волноводы – как линии передач используются в см диапазоне волн. Отрезки
волноводов в качестве элементов устройств СВЧ. В волноводах направляемая
э/м волна типа Е или Н: E ( Ez 0), H ( H z 0) . Для волн этого типа существует
критическая длина волны λкр,
кр
где индексы m и n определяют число вариаций в
распределении поля волны данного типа по оси x и y. Волна
данного типа будет распространяться, если λ < λкр . Основным
типом волны является волна с наибольшей критической
длиной
H1 0 (n 1, m 0)
кр H 2a
10
- эта волна распространяется, если 2a
2
2
m n
a b
2

24.

Распространения волн Н и Е типа в волноводах.
.
Для волн типа Н. и Е в волноводной линии передачи
кр - критическая длина волны
кр волна будет распространяться
кр волна находится в закритическом режиме и не распространяется
Фазовая скорость зависит от частоты.
Такого вида зависимость имеют волны гибридного (смешанного типа).

25.

Структура силовых линий поля волны
1
кр
2
,
Uф
с
1
1
кр
2
Линии передачи рассчитаны на
распространение волн основного типа.
Волна H20 не распространяется, если λ >
a
Чем больше b, тем меньше потери в
волноводе и больше прочность, но
увеличиваются габариты и вес и
стоимость.
H10 и H 20

26.

Зависимость коэффициента затухания от частоты
Чем больше частота (λ→0), тем больше затухание в волноводе,
т. к. в этом случае растет поверхностное сопротивление стенок
волновода (явление скин – эффекта проводника), увеличиваются
тепловые потери в стенках волновода, которые определяются
поверхностными
токами
стенок
и
поверхностными
сопротивлением.
Кроме того, при приближении к критическому режиму
величина потерь в волноводе резко увеличивается всследствиеа
повышения в волноводе величины токов, наводимых на стенках.
Допустимая мощность в волноводе
Чем больше S поперечного сечения (а х b), тем больше Pдоп, и больше
электрическая прочность.
Чем ближе режим к критическому, тем меньше электрическая прочность,
т. к. растут токи, наводимые полями.

27.

СВЧ КОАКСИАЛЬНЫЕ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ
Поскольку распределение электрического поля в поперечной плоскости коаксиальной линии
передачи, работающей на волне типа ТЕМ, должно повторять структуру поля в цилиндрическом
конденсаторе, приходим к выводу, что единственной составляющей электрического вектора здесь
служит составляющая Е. Для нахождения конкретного вида зависимости будем считать, что
напряжение (разность потенциалов) между внутренним и внешним проводниками равно U. Тогда
должны быть справедливы следующие соотношения:
Для цилиндрического конденсатора

28.

Элементарные излучтели электромагнитного СВЧ излучения
Шкала электромагнитных волн

29.

Элементарный электрический излучатель ЭМ волн

30.

31.

СВЧ миниатюрный вибратор из тонких платиновых стерженьков с разрядными шариками на концах,
формирующих разрядный промежуток – электродиполь (элементарный электрический излучатель ЭМ
волн) или электромагнитный осциллятор (эквивалент колебательного LC–контура), где роль
индуктивности выполняют стерженьки и среда воздушного разряда между шариками, а роль конденсатора
ёмкость между шариками. Электрический осциллятор – это вибратор Герца или диполь Герца.
Излучателем электромагнитных волн является электрический диполь, момент которого P0 ql , где q –
заряд диполя; l – расстояние между зарядами), как и заряд, изменяется по гармоническому закону:
.
P P0 cos t
Картина пространственного распространения
электромагнитной волны: вихревые магнитны
поля (H) – в горизонтальной плоскости,
вихревые
электрические поля
(E) –
в
вертикальной плоскости

32.

Особый интерес представляет так называемая волновая зона излучения электрического
диполя в пространстве на расстояниях r от диполя, значительно превосходящих длину волны
(r >> λ). Если волна распространяется в однородной изотропной среде, то в волновой зоне
волновой фронт будет сферическим. Интенсивность излучения диполя (I) в зависимости от угла θ
между направлением радиуса вектора r и осью диполя (диаграмма направленности
электромагнитного излучения) определяется по формуле:
2
sin θ
Ι~
r2
и при заданном значении r имеет вид, изображенный на рисунке
Диаграмма
направленности
элементарного
электрическиого
излучателя ЭМ волн (вибратора
Герца)
–
это
зависимость
интенсивности
электромагнитного
излучения от угла θ

33.

34.

35.

Элементарный магнитный излучатель