РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2015, том 2, выпуск 1, c. 65–68
КОСМИЧЕСКИЕ НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ПРИБОРЫ
УДК 537.877
Экспериментальное определение коэффициента
прохождения электромагнитных волн
черезщелии отверстия вэкране
А. А.Чухланцев1,Г.Г.Язерян2
1д.ф.-м.н., ФИРЭ им. В.А.Котельникова РАН
2к. т. н., ОАО «Российские космические системы»
e-mail: 1alchuk51@mail.ru, 2gyazeryan@yandex.ru
Аннотация. Предложены методика и установка для измерения коэффициента прохождения электромагнитных
волн через отверстия и щели в экране конечнойтолщины, а также через слой полупрозрачного вещества. Приведены
примеры проведения измеренийи их результаты.
Ключевые слова: коэффициент прохождения электромагнитных волн, дифракция волн, сечение рассеяния
Experimental Determination of the Transmission Ratio
of Electromagnetic Waves through Slits and Holes
in a Screen
А. А.Chukhlantsev1, G.G.Yazeryan2
1doctor of physical and mathematical science, Fryazino branch of Kotelnikov IRE RAS
2candidate of engineering science, editing group head at the Department of Scientific
and Technical Information, Joint Stock Company “Russian Space Systems”
e-mail: 1alchuk51@mail.ru, 2gyazeryan@yandex.ru
Abstract. A method and unit for determining the transmission ratio of electromagnetic waves through slits and
holes in a screen of finite thickness as well as through a semi-transparent substance layer are suggested. Examples
of measurements and their results are given.
Key words: transmission ratio of electromagnetic waves, wave diffraction, scattering cross-section
Стр.1
66
А. А.ЧУХЛАНЦЕВ, Г.Г.ЯЗЕРЯН
Введение
Определение коэффициента прохождения электромагнитных
волн через щели и отверстия в экране,
а также через слойкакого-либо вещества,
является важным в ряде задач антеннойтехники,
распространения радиоволн и дистанционного радиофизического
зондирования. Как известно, аналитическое
решение даннойдифракционной задачи
удается получить лишь для ограниченного количества
идеализированных объектов. А известные
экспериментальные методики, как правило, требуют
привлечения сложного оборудования и прецизионнойаппаратуры.
В
даннойработе предлагается простая методика
и установка для измерения коэффициента
прохождения электромагнитных волн через отверстия
и щели в экране конечнойтолщины, а также
через слойполупрозрачного вещества. Приведены
результаты измеренийкоэффициента пропускания
щели в экране (листе) из различных материалов —
металлических, полупрозрачных, поглощающих.
Исходные положения
Дифракция электромагнитных волн характеризуется
такими величинами, как пространственное
распределение амплитуды и фазы рассеянного
поля, элементы матрицы рассеяния, диаграмма рассеяния
и пр. Во многих задачах вводят некоторые
средние (интегральные) характеристики способности
объекта переизлучать (рассеивать), поглощать
или пропускать падающую на него плоскую волну.
К таким характеристикам относятся интегральные
сечения рассеяния, поглощения и ослабления
тел, на которых рассматривается дифракция, или
коэффициент пропускания для щелейи отверстий
в экранах [1].
Интегральное сечение рассеяния σp определяется
как отношение полноймощности рассеянной
волны Pp к абсолютному значению вектора плотности
потока мощности (вектора Пойнтинга) Πo
падающейволны:
σp = Pp
Πо
= 1
Πо
Σ
Πds,
где Σ — любая поверхность, охватывающая объект
дифракции.
Аналогичным образом определяются интегральное
сечение поглощения:
σп = Pп
Πо
.
Сечение ослабления в соответствии с оптической
теоремойявляется суммойсечений рассеяния и поглощения.
Соответственно
коэффициенты рассеяния (отражения)
r, поглощения γп и пропускания (прохождения)
t через слойопределяются как отношение
Pp, Pп и Pt к полноймощности падающей волны
Pо.
В основе предлагаемойметодики лежат основные
выводы теории теплового излучения, разработаннойС.М.Рытовым
и М.Л.Левиным [2]. В даннойтеории
доказано, что интенсивность радиотеплового
излучения тела на даннойполяризации
в каком-либо направлении прямо пропорциональна
поглощению в данном теле энергии вспомогательнойволны
тойже поляризации, падающейна тело
с этого направления. При этом соотношение между
размерами тел (α)идлинойволны(λ) никак не
ограничивается, поэтому теория применима и к задачам,
в которых α соизмерима с λ. Именно в этих
условиях решение краевых задач электродинамики
затруднено, особенно когда тело имеет сложную
форму. Однако, как следует из вышесказанного,
упомянутые энергетические (интегральные)
характеристики дифракционного поля можно определять
путем измерения параметров собственного
радиотеплового излучения объектов.
Описание экспериментальной
установкииметодики
СВЧ радиометрическая установка (рис. 1) состоит
из радиометрического приемника с антенной,
помещеннойв меньшее основание усеченной пирамиды
из поглощающего материала — «черного тела»
(с коэффициентом отражения, близким к нулю
для данного диапазона волн). Большое основание
пирамиды ориентировано в зенит и закрыто металлическим
листом с круглым отверстием, диаметр
которого много больше длины волны радиометра λ,
что позволяет пренебречь краевыми эффектами на
даннойапертуре. Однако площадь отверстия (Sо)
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 1 2015
Стр.2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПРОХОЖДЕНИЯ
меньше площади «пятна» (S) главного лепестка
диаграммы направленности (ДН) антенны в плоскости
верхнего основания пирамиды (схематически
показано пунктирнойлинией), что уменьшает
влияние на измерения неравномерности диаграммы
направленности. Для удобства расположения
ификсацииисследуемых объектовоно можетбыть
закрыто сплошнойрадиопрозрачнойпластиной (например,
из тонкого и прочного оргстекла). Возможны,
конечно и другие варианты конструкции для
закрепления исследуемых объектов в зависимости
от их формы и размеров.
67
на выходе регистратора) при открытом и закрытом
отверстиях формируется шкала коэффициента
пропускания. На даннойшкале уровень выходного
напряжения при открытом отверстии соответствует
значению коэффициента пропускания единица. Уровень
выходного напряжения при закрытом отверстии
соответствует коэффициенту пропускания ноль.
В случае закрытия отверстия металлическим
экраном со щелью (или отверстиями) или полупрозрачным
экраном мощность на входе антенны
радиометра равна
TЯ
3 = Tо(1−t)+ t · TЯ
где t — коэффициент пропускания экрана, TЯ
к единице, получаем:
t = TЯ
TЯ
Рис. 1. Схема экспериментальнойустановки
Выходнойсигнал радиометра регистрируется
с помощью измерительного прибора (регистратора).
Установка должна располагаться на открытой
площадке (а не в помещении), чтобы исключить
«подсветку» от посторонних объектов (от потолка
истенпомещения).
Мощность на входе радиометра, выраженная
в значениях яркостнойтемпературы, при открытом
отверстии равна:
TЯ
1 = Tо(1−t0)−t0TЯ
A3),(1)
а при закрытом металлическим листом отверстии
TЯ
2 = Tо,(2)
где Tо — температура поглощающего материала
(«черного тела»); t0 — коэффициент пропускания
отверстия, принимаемыйза единицу; TЯ
ная температура атмосферы (в зенит).
Проведением измеренийуровня радиотеплового
излучения (фиксируемого в виде напряжения
А3 —яркосттельно
t и учитывая, что величина (Tо−TЯ
− TЯ
1 −TЯ .
2
2
яркостная температура атмосферы, усредненная
с учетом индикатрисы рассеяния щели.
Решая совместно уравнения (1)–(3) относиА
) в диапазоне сантиметровых волн близка
3 −TЯ
А,(3)
А —
А3)/(Tо−
(4)
Коэффициент прохождения через отверстие или
щель находится в предлагаемом методе из соотношения
tщ
= t ·
So
Sщ
= TЯ
TЯ
3 −TЯ
1 −TЯ ·
2
2
Sо
Sщ
.
(5)
Точность измерения величины t определяется
в основном флуктуационнойчувствительностью
радиометра и флуктуациями радиоизлучения атмосферы.
В предложеннойустановке использован радиометр
с длинойволны 2,25 см, имеющий флуктуационную
чувствительность при постояннойвремени
выходного устройства 1 с не хуже 0,2 К
и полосу пропускания 120 МГц. На этойволне
флуктуации излучения атмосферы за время одного
цикла измеренийнезначительны. По проведенным
оценкам относительная погрешность измеренийкоэффициента
прохождения не превышает 5%.
Некоторые примеры измерений
С помощью описаннойустановки получены
оценки коэффициента пропускания щелейв экранах,
наиболее часто встречающихся в практике антеннойтехники
и дистанционного радиофизического
зондирования.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 1 2015
Стр.3
68
А. А.ЧУХЛАНЦЕВ, Г.Г.ЯЗЕРЯН
В качестве примера на рис. 2 представлены
экспериментально полученные зависимости коэффициента
пропускания щели в металлическом
экране (t) от ее ширины (δ)при различныхтолщинах
экрана (d)для E-поляризованнойволны.
Там же приведены аналогичные зависимости для
щелейв слое пресноводного льда и «черного тела»
разнойтолщины. Любопытно, что резонансные явления
(при δ ≈ κλ/2, κ = 1, 2, . . .), которые для
щели в металлическом экране приводят как к увеличению
t, так и к его уменьшению по сравнению
с приближением геометрическойоптики, для щели
во льду приводят лишь к уменьшению t,адля
щели в «черном теле» они практически не проявляются.
Рис.
3. Зависимость коэффициента пропускания щели
в металлическом листе от его толщины (d)при нормальном
падении H-поляризованнойволны:
красные точки соответствуют δ = 0,3λ (≈ λ/π);
синие крестики с пунктиром: δ = 0,5λ;
черные кружки: δ = λ
Заключение
Вработе предложенаметодикаи установРис.
2. Зависимость коэффициента пропускания щели t
от ее ширины δ при нормальном падении E-поляризованнойэлектромагнитнойволны:
1
— щель в металлическом листе толщиной dм,
(красные кривые);
2 — щель в слое льда толщиной dл, (синие);
3 — щель в листе из поглощающего материала
толщиной dп (черные)
На рис. 3 представлены зависимости коэффициента
прохождения H-поляризованнойэлектромагнитнойволны
через щель в металлическом
экране от его толщины при разных значениях ширины
щели (δ). Сплошной(красной) линией показан
результат расчетов при δ = λ/π, заимствованныйиз
работы [3]. В плане показана схема эксперимента
(исследуемого листа со щелью).
Список литературы
1. Кинг Р., Тай-Цзунь У. Рассеяние и дифракция
электромагнитных волн. М.: Издательство иностраннойлитературы,
1962. 190 с.
2. Рытов С.М., Левин М.Л.Теорияравновесных тепловых
флуктуацийв электродинамике. М.: Наука,
1967. 307 с.
3. Литвиненко Л.Н., Просвирин С.Л., Шестопалов
В.П. Дифракция плоскойН-поляризованной
электромагнитнойволны на щели в металлическом
экране конечнойтолщины // Радиотехника и электроника.
1977, т. 22, №3, с. 475–484.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 1 2015
ка для определения коэффициента прохождения
электромагнитных волн через отверстия и щели
в экране по данным СВЧ радиометрических измерений.
К основным достоинствам методики измерения
следует отнести простоту ее реализации,
обусловленную, в первую очередь, отсутствием активного
источника излучения и фиксациейположения
приемнойантенны. Установку можно использовать
для измерения коэффициента прохождения
через экраны с отверстиями различнойформы, через
слойприроднойсреды (лед, снег, растительность),
через слойрассеивателейи пр.
Стр.4