Приборы и техника эксперимента, 2021, № 1, стр. 137-141

ВВЕДЕНИЕ

Специфика измерений тепловых характеристик детонационного фронта, распространяющегося внутри конденсированного взрывчатого вещества, требует размещения приемника к.в.ч.-радиометра [1] на безопасном расстоянии от объекта измерений, а антенны – в непосредственной близости к нему. Широко применяемые в таких экспериментах фторопластовые диэлектрические волноводы (д.в.) сечением 2.2 × 1 мм² имеют в трехмиллиметровом диапазоне длин волн погонные потери около 2.5 дБ/м, что ограничивает длину волновода в составе к.в.ч.-радиометра величиной не более 2 м (при такой длине обеспечивается флуктуационная чувствительность радиометра не более 300 К при времени накопления 1 мкс).

Дальнейшее увеличение длины д.в. приводит к пропорциональному ухудшению флуктуационной чувствительности. Для повышения точности измерения при максимальном удалении приемного блока радиометра от исследуемого образца взрывчатого вещества необходимо применять линии передачи (л.п.) с меньшими погонными потерями. При этом условия взрывного газодинамического эксперимента накладывают дополнительные ограничения на выбор л.п. для использования в составе к.в.ч.-радиометра:

– л.п. должна позволять размещать измерительную аппаратуру за взрывозащитной плитой вне прямой видимости от эпицентра взрыва;

– уничтожаемый участок л.п. должен иметь низкую стоимость.

На сегодняшний день известны планарные ленточные диэлектрические волноводы [2], квазиоптические лучевые зеркальные и линзовые волноводы (лучеводы Губо) и подобные им направляющие структуры [3, 4], имеющие в миллиметровом диапазоне длин волн погонные потери <0.1 дБ/м. Однако данные л.п. обладают существенными недостатками: ленточные диэлектрические волноводы не допускают изгибов, касаний и неоднородностей диэлектрического полотна, квазиоптические лучевые зеркальные и линзовые волноводы требуют прецизионной юстировки. Поэтому применение перечисленных л.п. в экспериментах вне лабораторных условий крайне затруднено.

Другим известным классом л.п. с малыми потерями в к.в.ч.-диапазоне являются сверхразмерные металлические волноводы (с.р.м.в.), которые обеспечивают погонные потери на порядок меньше, чем в аналогичных одномодовых металлических волноводах [5].

При проектировании л.п. на с.р.м.в. необходимо учитывать возможный многомодовый режим распространения волн. Число возможных типов волн пропорционально S/λ², где S – площадь поперечного сечения волновода, λ – длина волны. По этой причине в л.п. на с.р.м.в. недопустимы резкие нерегулярности.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПОГОННЫХ ПОТЕРЬ В ПРЯМОУГОЛЬНОМ СВЕРХРАЗМЕРНОМ МЕТАЛЛИЧЕСКОМ ВОЛНОВОДЕ

Проведем расчет и численное моделирование в пакете CST MWS погонных потерь β для основной волны Н₁₀ в прямоугольном волноводе стандартного сечения 3.4 × 7.2 мм², являющегося сверхразмерным на длине волны λ = 3.2 мм. Расчет будем выполнять по формуле [5]:

где a и b – размеры узкой и широкой стенок волновода, σ – удельная проводимость материала стенок волновода, где λ_кр – критическая длина волны для прямоугольного волновода размером a × b, определяемая формулой где m и n – индексы, определяемые числом полуволн, укладывающихся вдоль узкой и широкой стенок волновода.

Внутренние стенки волновода будем считать покрытыми серебром с удельной проводимостью σ_Ag = 4.75 ⋅ 10⁷ См/м, толщина покрытия – значительно больше толщины скин-слоя. Согласно формуле (1), погонные потери в таком волноводе составят 0.64 дБ/м.

Для подтверждения полученных результатов расчета в пакете CST MWS было проведено численное моделирование такого волновода. Модель представляла собой регулярный участок прямоугольного волновода сечением 3.4 × 7.2 мм², выполненного из серебра. Возбуждение проводилось в одномодовом режиме. Согласно результатам моделирования значение погонных потерь на рабочей длине волны λ = 3.2 мм составило 0.76 дБ/м, что близко к значению, полученному по формуле (1).

Для экспериментального измерения погонных потерь были изготовлены отрезки длиной 0.5 м из латунной трубы 7.2 × 3.4 × 0.5 мм. Для их возбуждения были изготовлены плавные пирамидальные рупорные переходы с сечения 1.2 × 2.4 на 3.4 × 7.2 мм² длиной 30 мм (~10 λ). Для увеличения проводимости стенок волновод и пирамидальные переходы были покрыты слоем серебра.

Потери измерялись на панорамном измерителе к.с.в.н. и ослаблений в диапазоне частот от 90 до 100 ГГц. Результаты измерения ослабления в 4-х вариантах волноводных сборок представлены на рис. 1. К.с.в.н. во всех случаях не превышал 1.14.

Как видно из рис. 1, среднее значение потерь в переходах составляет 0.1 дБ. При увеличении длины сборки на 0.5 м потери в ней увеличиваются на 0.35–0.45 дБ. Вычитая ослабление на переходах (кривая 1) из ослабления в волноводной сборке, содержащей 1 м волновода (кривая 3), получим значения погонного затухания в волноводе, показанные на рис. 2 точками, где для каждой точки отмечен коридор погрешностей панорамного измерителя. В этих же осях изображены теоретическая зависимость погонного затухания, рассчитанная по формуле (1), и результаты моделирования в пакете CST MWS.

Как видно из рис. 2, среднее значение погонных потерь в изготовленных прямоугольных волноводах сечением 3.4 × 7.2 мм² в рабочей полосе частот к.в.ч.-радиометра составляет 0.8 дБ/м, что близко к результатам моделирования (0.76 дБ/м) и к теоретическому значению (0.64 дБ/м). На основании проведенного анализа можно утверждать, что экспериментальное значение погонных потерь хорошо согласуется с результатами моделирования и теоретическим расчетом. Различие объясняется ограниченной точностью численной модели при моделировании, инструментальной погрешностью панорамного измерителя и неучтенными потерями на различных неоднородностях, имеющих место в реальном волноводе. В частности, в [6] отмечено, что на высоких частотах определяющим фактором, влияющим на характеристики волновода, становится не столько удельная проводимость материала экрана, сколько качество обработки (шероховатость) экранирующих поверхностей.

Использование рассмотренных волноводов дает возможность отнести приемный блок к.в.ч.-радиометра на расстояние до 9 м от места взрыва при сохранении флуктуационной чувствительности на уровне, сопоставимом с тем, который обеспечивается при применении д.в. длиной не более 2 м.

Однако данное решение имеет ряд недостатков. Сверхразмерные волноводы не допускают изгибов, поэтому к.в.ч.-радиометр придется размещать в прямой видимости от эпицентра взрыва на прямолинейном участке, что потребует дополнительных мероприятий по его защите от воздействия прямой ударной волны. Другим недостатком является сравнительно высокая стоимость металлического волновода (особенно с серебряным покрытием). Поэтому использование с.р.м.в. целесообразно в лабораторных условиях, а в условиях газодинамического эксперимента оправдано лишь в исключительных случаях.

Очевидным решением, позволяющим обеспечить безопасность и сохранность измерительной аппаратуры или провести измерения при расположении объекта исследований в труднодоступных местах, является использование гибких одномодовых диэлектрических волноводов совместно с сверхразмерными металлическими. Участок, где необходимо выполнить волноводный изгиб, выполняется из д.в., а регулярный участок – из прямоугольного с.р.м.в.

ГИБКИЙ ВОЛНОВОД ДЛЯ СВЯЗИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДОВ СТАНДАРТНОГО И СВЕРХРАЗМЕРНОГО СЕЧЕНИЙ

На рис. 3 представлен вариант реализации гибкого волновода для связи металлических волноводов стандартного и сверхразмерного сечений, состоящего из д.в. 1, обеспечивающего возможность реализации радиальных изгибов, и волноводных переходов 2 и 3 к металлическим волноводам сверхразмерного и стандартного сечений соответственно.

Площадь сверхразмерного сечения на выходе волноводного перехода 2 должна определяться из соотношения:

где λ – рабочая длина волны. При этом длина расширяющегося участка волноводного канала должна быть не менее 6λ.

При такой конструкции волноводного перехода 2 обеспечивается минимальное преобразование основной волны Н₁₀ прямоугольного металлического волновода в высшие типы волн благодаря концентрации электромагнитного поля основной волны внутри клинообразного участка д.в. и ее эффективное преобразование в основную волну НЕ₁₁ д.в. Аналогичным образом, при распространении волны НЕ₁₁ по д.в. происходит ее обратное преобразование в волну Н₁₀ прямоугольного металлического волновода в волноводном переходе 3.

Для количественной оценки величины ослабления и качества согласования д.в. сечением 2.2 × × 1.0 мм² с с.р.м.в. сечением 3.4 × 7.2 мм² на переходе 2 было проведено численное моделирование в CST MWS. Объемная модель представлена на рис. 4, где для ввода-вывода с.в.ч.-мощности имеются порты (1 и 2).

В качестве материала д.в. был задан фторопласт-4 c ε = 2.2, tgδ = 2 ⋅ 10^–4 , в качестве материала перехода и с.р.м.в. – серебро с удельной проводимостью σ_Ag = 4.75 ⋅ 10⁷ См/м.

Результаты моделирования представлены на рис. 5 и 6.

Из этих рисунков следует, что данный волноводный переход в частотном диапазоне от 90 до 100 ГГц имеет среднее значение к.с.в.н., не превышающее 1.2, и среднее ослабление 0.5 дБ, что определяет возможность использования его в составе гибкого волновода для связи металлических волноводов стандартного и сверхразмерного сечений.

В соответствии с моделью, представленной на рис. 4, был изготовлен волноводный переход с д.в. на с.р.м.в. (рис. 7). С использованием данного волноводного перехода был изготовлен макет гибкого волновода для связи металлических волноводов стандартного сечения 1.2 × 2.4 мм² и сверхразмерного сечения 3.4 × 7.2 мм² с фторопластовым д.в. сечением 2.2 × 1.0 мм².

Потери в макете гибкого волновода с двумя переходами на металлический измерялись в диапазоне от 90 до 100 ГГц на панорамном измерителе к.с.в.н. и ослабления. Экспериментальные исследования показали, что суммарные потери в гибком волноводе при длине 0.5 м не превышают 1.1 дБ, при этом потери в каждом из волноводных переходов не превышают 0.3 дБ. Следовательно, при применении линии передачи длиной до 7 м, состоящей из двух гибких волноводов длиной 0.5 м каждый и прямоугольного с.р.м.в. сечением 3.4 × 7.2 мм² длиной 6 м, значение флуктуационной чувствительности к.в.ч.-радиометра сохранится на прежнем уровне (при этом радиусы изгибов д.в. должны быть более 20λ).

Гибкий волновод для связи металлических волноводов стандартного и сверхразмерного сечений защищен патентом РФ на изобретение [7].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В условиях газодинамического эксперимента благодаря совместному использованию гибких волноводов для связи металлических волноводов стандартного и сверхразмерного сечений и прямоугольных с.р.м.в. возможно построение л.п. длиной до 7 м при сохранении значения флуктуационной чувствительности к.в.ч.-радиометра на том же уровне, что и при использовании фторопластовых д.в. сечением 2.2 × 1.0 мм² длиной 2 м. В случае сокращения длины регулярного участка сверхразмерного волновода флуктуационная чувствительность пропорционально увеличится, следовательно, увеличится точность проводимых радиометрических измерений. Так, например, при построении л.п. общей длиной до 2 м на гибком волноводе совместно с с.р.м.в. флуктуационная чувствительность к.в.ч.-радиометра увеличится в 2 раза по сравнению с л.п. на фторопластовом д.в. аналогичной длины.

Несмотря на возможность выполнения изгибов, недостатком такой л.п. (с точки зрения воздействия прямой ударной волны) по-прежнему остается наличие жесткого регулярного участка, содержащего прямоугольный с.р.м.в. Однако при использовании гибких волноводов возможно организовать защиту с.р.м.в. от воздействия ударной волны, разместив его в защитной трубе, закопанной в грунт, и ограничив тем самым уничтожаемый участок только частью заменяемого д.в. из состава гибкого волновода.