Приборы и техника эксперимента, 2021, № 6, стр. 41-46

ВВЕДЕНИЕ

Известно [1, 2], что при воздействии радиочастотных сигналов на сверхвысокочастотные (с.в.ч.) устройства в виде четырехполюсников смена направления передачи энергии с выхода на вход может приводить к неравенству коэффициентов передачи в этих опытах, т.е. к невзаимности исследуемого объекта. Меру невзаимности в данном случае обычно определяют из сравнения коэффициентов ${{S}_{{12}}}$ и ${{S}_{{21}}}$ [3] матрицы рассеяния:

Поскольку коэффициенты матрицы $S$ комплексные, невзаимность устройств может быть следующих типов: амплитудная, фазовая, частотная (преобразование частоты, включая доплеровский сдвиг), поляризационная.

В отличие от четырехполюсных устройств, при исследовании отражений от различных объектов при их облучении электромагнитной волной определить свойство невзаимности нельзя, поскольку в этом случае есть вход, но нет выхода. При обратном рассеянии радиочастотной волны от объекта можно провести аналогию с двухполюсником, в котором часть энергии отражается от входа, а другая часть попадает внутрь. При этом возбуждающая этот двухполюсник электромагнитная волна порождает в нем систему нормальных волн внутри волноведущей структуры и может через единственный “вход” переотразиться в сторону источника облучения. Отсюда понятно, что в случае изучения обратного рассеяния радиолокационными методами при измерении коэффициентов S₁₂ и S₂₁ получаем некоторое противоречие с классическим определением невзаимности. Поэтому при исследовании невзаимности обратного рассеяния определяют коэффициенты матрицы обратного рассеяния, схожие по смыслу с коэффициентами матрицы $S$, но определяемые по-иному [4–6]. Основой для этого являются параметры, с помощью которых описывается электромагнитная волна, отражаемая от объекта.

Одно из определений невзаимности матрицы рассеяния строится на сравнении амплитуд излученного и отраженного сигналов, получаемых при излучении и отражении волны с разной поляризацией. Обозначим вертикальную поляризацию через V, горизонтальную – через H. В работах [7, 8] матрицу обратного рассеяния определяют при смене поляризации излучаемой волны с H на V. При этом принимаемый сигнал в виде отраженной волны разделяют с помощью устройства поляризационной селекции (ортоплексера) на компоненты H и V. В результате строится матрица обратного рассеяния:

Следует отметить, что полной аналогии между матрицами $S$ и ${{S}_{p}}$ нет, поскольку физический смысл коэффициентов разный. Невзаимность при исследовании обратного рассеяния может быть определена как неравенство модулей коэффициентов матрицы обратного рассеяния ${\text{|}}{{S}_{{VH}}}{\text{|}} \ne {\text{|}}{{S}_{{HV}}}{\text{|}}$ и/или их аргументов ${\text{arg}}({{S}_{{VH}}})$ ≠ ${\text{arg}}({{S}_{{HV}}})$. Если же мы выберем в качестве основного параметра амплитуду отраженного сигнала, то необходимо нормировать коэффициенты матрицы S_p по уровню сигнала от некоторого “идеального” отражателя. В качестве последнего может быть выбрана бесконечная металлическая стенка. При других видах поляризации излучаемого сигнала можно использовать более сложные поверхности отражающих объектов [9].

Свойство невзаимности, в дополнение к рассмотренному признаку поляризации при изучении обратного рассеяния, может быть определено так же, как для четырехполюсников – по параметру частоты измеряемого отраженного сигнала вследствие преобразования частоты нелинейным объектом, а также доплеровского сдвига.

В ряде работ, посвященных исследованию процесса обратного рассеяния электромагнитных волн, теоретически и экспериментально показано существование объектов с невзаимными свойствами обратного рассеяния [7, 8]. Введено понятие частично невзаимного объекта и представлен алгоритм декомпозиции матрицы обратного рассеяния ${{S}_{p}}$ такого объекта на симметричную и антисимметричную части. При этом антисимметричная часть инварианта к параметрам поляризационного базиса описания S_p и во всех возможных базисах имеет вид антисимметричной матрицы. На основе результатов этих и других работ предложены устройства [8, 10–13], позволившие экспериментально подтвердить в лабораторных условиях и на полигоне радиолокационное наблюдение частично-невзаимных объектов.

Измерения параметров, характеризующих невзаимность отраженных от различных объектов волн, рассматривались во многих публикациях, например [14–17]. В работе [18] представлен обзор с.в.ч.-антенн, устройств, материалов и сред с невзаимными свойствами, которые имеют уникальные характеристики и перспективны для применения на практике. При исследовании с.в.ч.-параметров обратного рассеяния используют достаточно сложные измерения в безэховых камерах с применением векторных анализаторов цепей и другой аппаратуры [9, 13]. Нами была поставлена задача создания стенда для исследования частично невзаимного обратного рассеяния при воздействии коротких радиочастотных импульсов в условиях лаборатории.

В данной работе представлены описания структурной схемы такого стенда и принципа его работы, а также результаты измерения физическoй модели среды, представляющей собой ферритовый брусок, помещенный между двумя диэлектрическими подложками.

ОПИСАНИЕ СТЕНДА

Структурная схема стенда (рис. 1) содержит измерительное устройство; передающую антенну А₁, соединенную с выходом 1 радара, генерирующего радиочастотный импульс; приемную антенну А₂, размещенную на входе поляризационного разделителя ПР, выходы которого соединены через с.в.ч.-переключатель и малошумящий усилитель МШУ с входом 2 радара измерительного устройства; персональный компьютер ПК. Измерительное устройство включает в себя микроконтроллер и формирователь питающих напряжений.

Рис. 1.

Структурная схема стенда для исследования частично невзаимного обратного рассеяния. 1 – выход радиочастотного сигнала; 2 – вход принимаемого отраженного от объекта сигнала; А₁, А₂ – соответственно передающая и приемная антенны; ПР – поляризационный разделитель с выходом горизонтальной H и вертикальной V поляризации принимаемого электромагнитного сигнала; МШУ – малошумящий с.в.ч.-усилитель; ОИ – объект исследований; ПК – персональный компьютер.

Передающая А₁ и приемная А₂ антенны ориентированы относительно отражающего круглого металлического экрана так, чтобы их оптические оси пересекались под небольшим углом $\alpha $ на объекте исследований ОИ. В качестве экрана использовался диск диаметром 240 мм из нержавеющей стали, закрытый диэлектрической пластиной из полиэтилена толщиной 5 мм, на которой закрепляют исследуемые объекты – модели среды. Металлический отражатель приводится во вращательное движение шаговым двигателем с управлением от персонального компьютера и контролем угла поворота с минимальным шагом 3°.

Микроконтроллер измерительного устройства предназначен для управления режимом измерения радара, временного хранения измеряемых данных и их передачи через порт USB в персональный компьютер. Переключение выходов поляризационного разделителя осуществляется персональным компьютером. Управление измерительным устройством и стендом в целом осуществляется с помощью разработанного специализированного программного обеспечения.

Микросхема радара содержит генератор тестового сигнала, приемник, вход и выход синхронизации. Тактирование может быть выполнено от внутреннего генератора или от внешнего источника через вход синхронизации. Радар имеет следующие технические характеристики:

Радар формирует радиоимпульс с амплитудой 0.6 В, параметры которого определяются настройками генератора.

Внешний вид стенда показан на рис. 2.

Рис. 2.

Фотография стенда. 1 – передающая антенна А₁; 2 – сборка приемной антенны А₂ и поляризационного разделителя; 3 – с.в.ч.-переключатель сигналов с выходов H, V поляризационного разделителя на вход малошумящего усилителя 4; 5 – приемный канал измерительного устройства; 6 – исследуемый объект, установленный на диске 7, видимая поверхность которого выполнена из диэлектрика, закрепленного на металлическом диске-отражателе (тыльная сторона).

Тип поляризации излучаемой волны, вертикальная или горизонтальная, задается ориентацией передающей антенны А₁, в качестве которой взята антенна A-INFOMW LB-8180-NF (0.8–18 ГГц). Установка исследуемого объекта на вращающемся диске обеспечивает поворот плоскости поляризации излучаемой электромагнитной волны относительно исследуемого объекта в пределах 0°–360°. При этом изменение плоскости поляризации за счет вращения антенны А₁ имеет вспомогательный характер и, как показала практика, вносит существенные погрешности в измерения.

С помощью приемной гофрированной рупорной антенны А₂ принимается отраженный от исследуемого объекта сигнал с неизвестным соотношением между вертикальной и горизонтальной составляющими поляризации. Поляризационный разделитель [19–24] позволяет декомпозировать эти составляющие и передать одну из них с помощью с.в.ч.-переключателя NARDA 143DT через волноводно-коаксиальные разъемы и усилитель на приемный канал 2 приемопередатчика. Переключением выхода поляризационного разделителя измеряется другая составляющая поляризации.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Калибровка

Перед началом измерений различных объектов проводилась калибровка стенда путем измерения отраженного сигнала от круглого отражателя при его вращении от 0° до 180° в отсутствие на нем испытуемого объекта. Также проводились измерения с использованием антенны А₁, зафиксированной в специально разработанной системе крепления, изготовленной с помощью 3D-печати. Выполнялся поворот передающей антенны А₁ от исходного положения на углы 45° и 90°. Указанные положения антенны А₁ соответствовали поляризации излучаемой электромагнитной волны: горизонтальной (H), под углом 45° и вертикальной (V). В приемном канале использовались выходы H и V поляризационного разделителя, обеспечивающие сочетания поляризации передача–прием в следующих вариантах: HH, HV, VV, VH, 45°H, 45°V.

Однако поворот антенны А₁ при проведении экспериментов приводил к изменениям угла $\alpha $ и расстояния $l$, а следовательно, к неприемлемым погрешностям измерения. Такой способ изменения поляризации требует дополнительных калибровочных измерений в каждом положении антенны А₁. Поэтому в процессе измерений использовалось вращение диска и соответственно объекта исследований (см. рис. 1, 2) с помощью шагового двигателя относительно фиксированной плоскости поляризации электромагнитного поля, излучаемой антенной А₁.

Целью калибровки являлось определение погрешности при измерении матрицы обратного рассеяния S_p, которая для вращающегося диска должна максимально близко удовлетворять условиям ${{S}_{{HH}}} = {{S}_{{VV}}}$, ${{S}_{{HV}}} = {{S}_{{VH}}} = 0$. Измерения коэффициентов S_p проводились при вращении диска от 0° до 180°. На рис. 3 показаны осциллограммы напряжений ${{U}_{{HH}}}$ и ${{U}_{{VV}}}$ на выходе измерительного устройства при углах поворота φ = 0° и 90°.

Рис. 3.

Осциллограммы напряжений U_HH и U_VV на выходе измерительного устройства при измерении S_p при углах поворота φ = 0° и 90° металлического диска.

Аналогичные осциллограммы получены при φ = 45°, 90°, 135°, 180° для ${{U}_{{VV}}},$ ${{U}_{{VH}}},$ ${{U}_{{HV}}}$. Зависимость U_HH от угла $\varphi $ измерялась при неизменной ориентации передающей антенны, соответствующей поляризации H, при этом сигнал снимался с выхода H поляризационного разделителя. Напряжение U_HV  снималось с выхода V поляризационного разделителя при различных углах φ и неизменном положении антенны А₁. Определено среднее значение напряжения U_HHm, равное 145.0 мВ, и максимальное отклонение от среднего $\Delta {{U}_{{HH}}}$ = 2.9 мВ, что составило 2% от ${{U}_{{HHm}}}$. При измерении ${{U}_{{HV}}}$ получено среднее значение ${{U}_{{HVm}}}$ = 3.8 мВ в диапазоне φ от 0° до 180° и максимальное абсолютное отклонение от среднего $\Delta {{U}_{{HV}}}$ = 4.9 мВ при φ = = 180°. На основании анализа погрешностей измерения коэффициентов ${{S}_{{HV}}},{{S}_{{VH}}}$ был сделан вывод о целесообразности перехода от горизонтальной поляризации к вертикальной при в интервале углов φ = 0°–180° .

При указанных ограничениях на угол $\varphi $ динамический диапазон при измерении ${{S}_{{HH}}},{{S}_{{HV}}},{{S}_{{VH}}}$ составит:

(3)

${{D}_{{HH}}} = 20\log (max(\Delta {{U}_{{HH}}}){\text{/}}{{U}_{{HHm}}})) = - 34.0\;{\text{дБ}},$

(4)

${{D}_{{VH{\text{,}}HV}}}\, = \,20{\text{log}}(max(\Delta {{U}_{{HV}}}){\text{/}}{{U}_{{HHm}}})) = - 33.7\;{\text{дБ}}.$

В результате измерений получена нормированная по ${{U}_{{HHm}}}$ матрица рассеяния ${{S}_{{pn}}}$ диска в диапазоне φ = 45°–135°:

(5)

${{S}_{{pn}}} = \frac{2}{{({{S}_{{HH}}} + {{S}_{{VV}}})}}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{{S}_{{HH}}}}&{{{S}_{{HV}}}} \\ {{{S}_{{VH}}}}&{{{S}_{{VV}}}} \end{array}} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{\text{0}}{\text{.992}}}&{{\text{0}}{\text{.021}}} \\ {{\text{0}}{\text{.018}}}&{{\text{1}}{\text{.008}}} \end{array}} \right].$

Объект исследования, результаты измерений

В качестве объекта исследований взят ферритовый брусок (материал 1СЧ12) размером 8 × 4 × × 70 мм, помещенный между двумя диэлектрическими подложками с относительной проницаемостью ${{\varepsilon }_{r}} = 9.8$ размером 8 × 1 × 64 мм. Брусок размещали плоскостью 4 × 70 мм на диэлектрической пластине вдоль линии 0° (см. рис. 2, поз. 6), высота бруска над поверхностью диска составляла 8 мм (рис. 4). Подмагничивание феррита осуществлялось неодимовым магнитом размером 6 × × 4 × 6 мм в поперечном направлении по центру бруска.

Рис. 4.

Испытуемый объект, содержащий ферромагнитное включение и размещенный на отражателе с диэлектрической пластиной.

На рис. 5 приведены сигналы в виде временных зависимостей напряжений на выходе микроконтроллера при разных углах наклона ферритового бруска, задаваемых поворотом диска-отражателя, и при переключении выходов поляризационного разделителя ${{U}_{{HH}}}$, ${{U}_{{HV}}}$, ${{U}_{{VH}}}$.

Рис. 5.

Временные зависимости напряжений на выходе микроконтроллера при углах наклона ферритового бруска φ = 45° и 135° и переключении выходов поляризационного разделителя.

Измерения позволили получить матрицу обратного рассеяния в абсолютных значениях напряжений и в нормированном виде (нормирование проводилось по коэффициенту 0.5(${{U}_{{HH}}}$ + U_VV):

(6)

${{S}_{{pn}}} = \frac{2}{{({{U}_{{HH}}} + {{U}_{{VV}}})}}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{{U}_{{HH}}}}&{{{U}_{{HV}}}} \\ {{{U}_{{VH}}}}&{{{U}_{{VV}}}} \end{array}} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{\text{1}}{\text{.002}}}&{{\text{0}}{\text{.139}}} \\ {{\text{0}}{\text{.041}}}&{{\text{0}}{\text{.998}}} \end{array}} \right].$

Оценка коэффициентов S_pn в (6), исходя из превышения порога чувствительности ${{D}_{{VH{\text{, }}HV}}}$ (4), дает следующие величины: ${{D}_{{HV{\text{ }}}}} = - {\text{17}}{\text{.14}}$ дБ, ${{D}_{{VH}}}$ = = –27.744 дБ. Рассчитанный коэффициент невзаимности [7, 8] составил $\xi = 0.089$, что позволяет сделать вывод о частичной невзаимности матрицы обратного рассеяния исследуемой физической модели.

В разработанной программе для обработки результатов измерений предусмотрено проведение спектрального анализа временных зависимостей, что дает возможность получить матрицы обратного рассеяния в комплексной форме и осуществить их анализ с определением группы из шести инвариантов Хойнена–Эйлера: φ, $m,$ $\theta ,$ $\varepsilon ,$ $\nu ,$ $\gamma $ – и двух поляризационных инвариантов $\zeta ,{\text{ }}\eta $, имеющих угловую размерность [25–27].

Проведены измерения матрицы обратного рассеяния ферритового бруска (см. рис. 4) при его продольном намагничивании посредством соленоида длиной 16 мм. Соленоид был расположен поверх бруска и закрывал его участок ±9 мм от центра от падающей электромагнитной волны. При токе подмагничивания 1.5 А получена нормированная матрица рассеяния:

(7)

${{S}_{{pn}}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{\text{1}}{\text{.003}}}&{{\text{0}}{\text{.177}}} \\ {{\text{0}}{\text{.019}}}&{{\text{0}}{\text{.997}}} \end{array}} \right],$

а после применения преобразования Фурье к исходным временным зависимостям напряжений ${{U}_{{HH}}}$, ${{U}_{{VV}}}$, ${{U}_{{VH}}}$, ${{U}_{{VH}}}$ – комплексная нормированная матрица:

(8)

${{\vec {S}}_{{pn}}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{\text{0}}{\text{.802 + 0}}{\text{.597}}i}&{{\text{0}}{\text{.147 + 0}}{\text{.054}}i} \\ {{\text{0}}{\text{.019 + 8}}{\text{.72}}i \cdot {\text{1}}{{{\text{0}}}^{{{\text{ - 3}}}}}}&{{\text{0}}{\text{.821 + 0}}{\text{.571}}i} \end{array}} \right].$

Используя (8), определен угол невзаимности $\zeta = $ 5.03° и разность абсолютных фаз симметричной и антисимметричной частей матрицы рассеяния $\zeta = 20.6$° [27].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленный стенд позволяет излучать, принимать, оцифровывать и записывать отклики от исследуемого объекта при изучении параметров различных материалов и физических моделей различных сред в режиме отражения электромагнитной волны радиоимпульса длительностью в интервале 1.75–3.1 нс при изменяемой от 5.3 до 8.8 ГГц частоте заполнения. Получаемые данные в виде зависимостей напряжения от времени дают возможность при последующей обработке записываемых сигналов проводить построение и анализ матриц обратного рассеяния в лабораторных условиях. Приведенные примеры измерений демонстрируют возможности стенда, ограниченные, в основном, величиной развязки H и V каналов поляризационного разделителя и неидеальностью отражателя, на котором устанавливается объект исследования. Порог чувствительности составил –33.7 дБ. Стенд применим для исследования свойств обратного рассеяния устройств, метаматериалов, защитных покрытий антенн и конструкций, диэлектрических и других материалов, а также при постановке экспериментальных работ, для реализации которых требуется излучение и прием электромагнитных волн, возбуждаемых радиочастотными импульсами с указанными параметрами.