Помощь студентам в учебе
ЛОКАЛЬНАЯ КВАЗИОПТИЧЕСКАЯ РЕЗОНАТОРНАЯ ДИАГНОСТИКА ЛИСТОВЫХ ОБРАЗЦОВ
|
Введение 5
1 Методы измерения параметров материалов и объектов на СВЧ 9
1.1 Методы с использованием объемных резонаторов 11
1.2 Методы с использованием открытых резонаторов 12
1.3 Диагностика плоских объектов через отверстие в зеркале открытого
резонатора 14
1.4 Фокусировка электромагнитных волн диэлектрическими объектами .. 19
2 Численное моделирование и экспериментальное исследование
распределения электромагнитных полей за отверстием рефлектометра 24
2.1 Численное моделирование распределения электромагнитных полей за
отверстием в идеально проводящей плоскости конечной толщины 25
2.2 Экспериментальное исследование распределения электромагнитных
полей за отверстием в зеркале ОР рефлектометра 27
2.3 Сопоставление измерений коэффициента отражения резонаторным
методом и методом коаксиальной ячейки 36
2.4 Измерение распределения коэффициента отражения по плоскости
образца композитного материала 41
Список использованных источников и литературы 61
Приложение А Отчет о патентных исследованиях 66
Приложение Б Листинг программы управления механизмом перемещения зонда 76
1 Методы измерения параметров материалов и объектов на СВЧ 9
1.1 Методы с использованием объемных резонаторов 11
1.2 Методы с использованием открытых резонаторов 12
1.3 Диагностика плоских объектов через отверстие в зеркале открытого
резонатора 14
1.4 Фокусировка электромагнитных волн диэлектрическими объектами .. 19
2 Численное моделирование и экспериментальное исследование
распределения электромагнитных полей за отверстием рефлектометра 24
2.1 Численное моделирование распределения электромагнитных полей за
отверстием в идеально проводящей плоскости конечной толщины 25
2.2 Экспериментальное исследование распределения электромагнитных
полей за отверстием в зеркале ОР рефлектометра 27
2.3 Сопоставление измерений коэффициента отражения резонаторным
методом и методом коаксиальной ячейки 36
2.4 Измерение распределения коэффициента отражения по плоскости
образца композитного материала 41
Список использованных источников и литературы 61
Приложение А Отчет о патентных исследованиях 66
Приложение Б Листинг программы управления механизмом перемещения зонда 76
В настоящее время прогресс в создании техники СВЧ диапазона во многом определяется уровнем развития методов получения искусственных, и прежде всего композиционных материалов. Состав таких материалов часто подбирается эмпирическим путём, что требует развития современной измерительной базы.
Если образец представляет собой плоскопараллельный слой, то для измерений, как правило, используются методы свободного пространства [1].
Однако данные методы требуют подготовленных образцов с достаточно большими по сравнению с длиной волны размерами.
Повысить локальность измерений модуля и фазы коэффициента отражения, а также расширить диапазон измеряемых значений позволяет метод, основанный на использовании квазиоптического резонаторного рефлектометра [2,3]. Метод основан на измерении коэффициента передачи на резонансной частоте открытого резонатора, в одном из отражателей которого имеется отверстие, за которым располагается исследуемый объект.
Целью работы является оптимизация размеров измерительного отверстия рефлектометра для абсолютного измерения коэффициента отражения плоскопараллельных образцов, а также исследование возможности повышения разрешающей способности рефлектометра для обнаружения малых неоднородностей материала.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Аналитический обзор литературных источников;
2. Провести численное моделирование и экспериментальное исследование распределений электромагнитных полей за отверстием в зеркале открытого резонатора;
3. Сопоставить измерения коэффициента отражения резонаторным методом и волноводным методом с применением коаксиальной ячейки;
4. Провести численное моделирование и экспериментальное исследование распределений электромагнитных полей за измерительным отверстием в присутствии фокусирующего объекта и металлической плоскости (измерительного стола);
5. Провести оценку разрешающей способности рефлектометра в присутствии/отсутствии фокусирующего объекта;
6. Обобщить результаты НИР, составить текст диссертации.
Объект исследования: процессы распространения электромагнитных волн за отверстием в зеркале открытого резонатора.
Методы исследования: резонаторный метод измерения электромагнитных характеристик.
Предмет исследования: открытый квазиоптический резонатор.
Положения, выносимые на защиту (ПВЗ) диссертантом:
1) Для квазиоптического резонаторного рефлектометра на основе открытого резонатора с параметрами близкими к конфокальному (L = 53 см, R = 120 см), в диапазоне 8 - 12 ГГц наиболее оптимальным с точки зрения однородности поля является квадратное измерительное отверстие со стороной 1,3Х; при этом расхождение результатов измерений в сравнении с коаксиальным методом не превышает 5%, уменьшение стороны до 1,2Х не приводит к увеличению расхождения, увеличение стороны до 1,7Х ведет к увеличению расхождения до 30%.
2) Использование фокусирующего параллелепипеда с размерами 1,3х1,3х1,6Х в квазиоптическом резонаторном рефлектометре на основе открытого резонатора с параметрами близкими к конфокальному (L = 53 см, R = 120 см), позволяет повысить его пространственную разрешающую способность и различать неоднородности с масштабом менее 0,5Х.
Обоснование достоверности ПВЗ:
Достоверность защищаемых положений достигается применением известных и апробированных методов исследования; непротиворечивостью и согласованностью результатов, полученных экспериментальными методами с результатами моделирования распределения электромагнитных полей за отверстием в зеркале открытого резонатора в программном продукте CST Microwave Studio ©.
Достоверность экспериментально полученных данных подтверждается использованием поверенного оборудования с аттестованными методиками измерения ЦКП «Центр радиоизмерений ТГУ», аккредитованного на техническую компетентность.
Обоснование новизны ПВЗ:
Впервые найдены условия оптимального сочетания геометрических размеров отверстия открытого резонатора для измерения коэффициентов отражения плоскопараллельных материалов в диапазоне частот от 8,7 до 11,7 ГГц.
Впервые применен диэлектрический объект в виде параллелепипеда, формирующий фотонную струю в резонаторном рефлектометре СВЧ диапазона. Впервые показана возможность фиксации им неоднородностей материала с масштабом меньше Х/2.
Обоснование практической значимости ПВЗ:
Полученные результаты можно применять при создании и оптимизации рефлектометров на базе открытых резонаторов.
Апробация работы:
Результаты работы были доложены на всероссийских и международных конференциях, опубликованы в сборниках:
1 Dorofeev I.O. Local quasioptical resonator diagnostics of semiconductor wafers / Dorofeev I.O., Dunaevskii G.E., Badin A.V., Dorozhkin K.V., Bessonov V., Khodovitskiy S.O. // MATEC Web of Conferences 155. 2018.
2 Поцелуева А.А. Исследование коэффициента отражения композитных материалов на основе многостенных углеродных нанотрубок / А.А. Поцелуева, С.О Ходовицкий // Научный потенциал молодежи и технический прогресс: труды I Международной студенческой научно - практической конференции. Россия, Санкт-Петербург, 11 мая 2018 г. -
Санкт-Петербургский филиал Научно-исследовательского «Машиностроение», 2018. С. 118- 119.
3 Ходовицкий С.О. Локальная резонаторная диагностика плоскопараллельных образцов / С.О. Ходовицкий, И.О. Дорофеев // Труды XV Всероссийской конференции студенческих научно -исследовательских инкубаторов. Россия, Томск, 17 - 18 мая 2018 г.
4 Ходовицкий С.О. Исследование распределения электромагнитного поля за отверстием резонаторного рефлектометра / IV Международный научно-технический форум «Современные технологии в науке образования» (СТНО-2021). Россия, Рязань, 3 - 5 марта 2021 г.
Если образец представляет собой плоскопараллельный слой, то для измерений, как правило, используются методы свободного пространства [1].
Однако данные методы требуют подготовленных образцов с достаточно большими по сравнению с длиной волны размерами.
Повысить локальность измерений модуля и фазы коэффициента отражения, а также расширить диапазон измеряемых значений позволяет метод, основанный на использовании квазиоптического резонаторного рефлектометра [2,3]. Метод основан на измерении коэффициента передачи на резонансной частоте открытого резонатора, в одном из отражателей которого имеется отверстие, за которым располагается исследуемый объект.
Целью работы является оптимизация размеров измерительного отверстия рефлектометра для абсолютного измерения коэффициента отражения плоскопараллельных образцов, а также исследование возможности повышения разрешающей способности рефлектометра для обнаружения малых неоднородностей материала.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Аналитический обзор литературных источников;
2. Провести численное моделирование и экспериментальное исследование распределений электромагнитных полей за отверстием в зеркале открытого резонатора;
3. Сопоставить измерения коэффициента отражения резонаторным методом и волноводным методом с применением коаксиальной ячейки;
4. Провести численное моделирование и экспериментальное исследование распределений электромагнитных полей за измерительным отверстием в присутствии фокусирующего объекта и металлической плоскости (измерительного стола);
5. Провести оценку разрешающей способности рефлектометра в присутствии/отсутствии фокусирующего объекта;
6. Обобщить результаты НИР, составить текст диссертации.
Объект исследования: процессы распространения электромагнитных волн за отверстием в зеркале открытого резонатора.
Методы исследования: резонаторный метод измерения электромагнитных характеристик.
Предмет исследования: открытый квазиоптический резонатор.
Положения, выносимые на защиту (ПВЗ) диссертантом:
1) Для квазиоптического резонаторного рефлектометра на основе открытого резонатора с параметрами близкими к конфокальному (L = 53 см, R = 120 см), в диапазоне 8 - 12 ГГц наиболее оптимальным с точки зрения однородности поля является квадратное измерительное отверстие со стороной 1,3Х; при этом расхождение результатов измерений в сравнении с коаксиальным методом не превышает 5%, уменьшение стороны до 1,2Х не приводит к увеличению расхождения, увеличение стороны до 1,7Х ведет к увеличению расхождения до 30%.
2) Использование фокусирующего параллелепипеда с размерами 1,3х1,3х1,6Х в квазиоптическом резонаторном рефлектометре на основе открытого резонатора с параметрами близкими к конфокальному (L = 53 см, R = 120 см), позволяет повысить его пространственную разрешающую способность и различать неоднородности с масштабом менее 0,5Х.
Обоснование достоверности ПВЗ:
Достоверность защищаемых положений достигается применением известных и апробированных методов исследования; непротиворечивостью и согласованностью результатов, полученных экспериментальными методами с результатами моделирования распределения электромагнитных полей за отверстием в зеркале открытого резонатора в программном продукте CST Microwave Studio ©.
Достоверность экспериментально полученных данных подтверждается использованием поверенного оборудования с аттестованными методиками измерения ЦКП «Центр радиоизмерений ТГУ», аккредитованного на техническую компетентность.
Обоснование новизны ПВЗ:
Впервые найдены условия оптимального сочетания геометрических размеров отверстия открытого резонатора для измерения коэффициентов отражения плоскопараллельных материалов в диапазоне частот от 8,7 до 11,7 ГГц.
Впервые применен диэлектрический объект в виде параллелепипеда, формирующий фотонную струю в резонаторном рефлектометре СВЧ диапазона. Впервые показана возможность фиксации им неоднородностей материала с масштабом меньше Х/2.
Обоснование практической значимости ПВЗ:
Полученные результаты можно применять при создании и оптимизации рефлектометров на базе открытых резонаторов.
Апробация работы:
Результаты работы были доложены на всероссийских и международных конференциях, опубликованы в сборниках:
1 Dorofeev I.O. Local quasioptical resonator diagnostics of semiconductor wafers / Dorofeev I.O., Dunaevskii G.E., Badin A.V., Dorozhkin K.V., Bessonov V., Khodovitskiy S.O. // MATEC Web of Conferences 155. 2018.
2 Поцелуева А.А. Исследование коэффициента отражения композитных материалов на основе многостенных углеродных нанотрубок / А.А. Поцелуева, С.О Ходовицкий // Научный потенциал молодежи и технический прогресс: труды I Международной студенческой научно - практической конференции. Россия, Санкт-Петербург, 11 мая 2018 г. -
Санкт-Петербургский филиал Научно-исследовательского «Машиностроение», 2018. С. 118- 119.
3 Ходовицкий С.О. Локальная резонаторная диагностика плоскопараллельных образцов / С.О. Ходовицкий, И.О. Дорофеев // Труды XV Всероссийской конференции студенческих научно -исследовательских инкубаторов. Россия, Томск, 17 - 18 мая 2018 г.
4 Ходовицкий С.О. Исследование распределения электромагнитного поля за отверстием резонаторного рефлектометра / IV Международный научно-технический форум «Современные технологии в науке образования» (СТНО-2021). Россия, Рязань, 3 - 5 марта 2021 г.