ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ (РАДИОВОЛНОВЫХ) ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЯХ

Эти измерительные преобразования основаны на зависимости параметров электромагнитных колебаний радиоволнового диапазона (волновой картины электромагнитного поля) от параметров среды, где эти колебания распространяются.

Распространение радиоволн в однородной среде

Радиоволны (от латинского radio - излучаю), электромагнитные волны с длиной волны к = 5-10 5...1010 м (частотой со от нескольких кГц до 6-1012 Гц).

Впервые радиоволны длиной несколько десятков сантиметров были исследованы в опытах Герца в 1888 году. В дальнейшем используемый для решения прикладных задач диапазон радиоволн постоянно расширялся (табл. 6.1).

Таблица 6.1

Диапазоны радиоволн

Диапазон

Длина волны в вакууме

Частота колебаний

Сверхдлинные волны (СДВ)

100... 10 км

3...30 кГц

Длинные волны (ДВ)

10... 1 км

30...300 кГц

Средние волны (СВ)

1000..,100 м

300...3000 кГц

Короткие волны (КВ)

100...Юм

3...30 МГц

Ультракороткие волны (УКВ): метровые дециметровые сантиметровые миллиметровые

  • 10.. .1.м
  • 10.. . 1 дм
  • 10.. . 1 см
  • 10.. . 1 мм
  • 30.. .300 МГц 300...3000 МГц
  • 3...30 ГГц
  • 30.. .300 ГГц

Субмиллиметровые волны

1 ...0,05 мм

300...6000 ГГц

Для целей измерительных преобразований преимущественно используется диапазон ультракоротких волн (1...1000 мм). Объекты измерений имеют в этом случае размеры того же порядка, что и длины возбуждаемых электромагнитных волн.

Электромагнитная волна представляет собой совокупность быстро- переменных электрического и магнитного полей, распространяющихся в определенном направлении z (рис. 6.1). В свободном пространстве электромагнитная волна поперечна, т. е. направления векторов напряженности электрического и магнитного полей Е и Я перпендикулярны направлению распространения волны z. Модули векторов Е и Я софазны, т. с. они одновременно в одних и тех же точках пространства достигают максимального или минимального значения. Указанные свойства электромагнитных волн вытекают из анализа описывающих взаимосвязь электрического и магнитного полей уравнений Максвелла в дифференциальной форме. Процесс распространения электромагнитных волн обеспечивается тем, что изменяющееся электрическое поле порождает вихревое магнитное поле, которое, в свою очередь, порождает вихревое электрическое по- - дЁ - дН

ле: rot Я =s0—; rote = -ц0-. Данный процесс можно инициировать

dt 8t

при условии наличия излучателя электрического либо магнитного полей, обеспечивающего возбуждение соответствующего поля в области пространства, протяженность которой соизмерима с длиной волны.

Схема распространения электромагнитной волны

Рис. 6.1. Схема распространения электромагнитной волны

Плотность потока энергии электромагнитной волны q' - энергия, переносимая волной в единицу времени через единицу поверхности малой площадки d5, имеет размерность Вт/м" и описывается уравнением:

где Е и Я - амплитудные значения напряженности электрического и магнитного полей; ф - разность фаз колебаний векторов Е и Я; а - угол между направлением распространения волны z и нормалью к площадке.

Поток энергии электромагнитной волны q - энергия, переносимая волной в единицу времени через площадь 5, имеет размерность мощности Вт и находится интегрированием q' по площади 5:

Для идеального диэлектрика с относительной диэлектрической проницаемостью е,. среднее значение плотности потока энергии

где с - скорость распространения электромагнитной волны в вакууме, фундаментальная физическая постоянная:

Среда, отличающаяся от вакуума по электромагнитным свойствам, уменьшает скорость распространения электромагнитной волны. Отношение скоростей электромагнитной волны в вакууме и в среде п = c/v называется показателем преломления.

Закон распространения монохроматической электромагнитной волны для самого общего случая, когда среда характеризуется отличными от вакуума электрической проводимостью, диэлектрической и магнитной проницаемостями, записывается следующим образом:

где E(t) - мгновенное значение напряженности электрического поля в точке пространства, отстоящей от начала координат в направлении распространения волны на расстоянии z; Е„,0 - амплитуда напряженности электрического поля в начале координат; со - круговая частота электромагнитного ноля; у - коэффициент поглощения среды, характеризующий уменьшение амплитуды колебаний вследствие возникновения вихревых токов в электропроводящей среде.

В идеальном диэлектрике, удельная электрическая проводимость материала которого ст —> 0 и, следовательно, отсутствует поглощение (у = 0), выражение (6.5) приобретает вид

Анализ (6.6) показывает, что в идеальных диэлектриках амплитуда распространяющейся волны не изменяется. Фаза колебаний определяется показателем преломления среды (скоростью распространения волны) и пройденным волной расстоянием, что может быть использовано для получения измерительной информации о названных влияющих параметрах.

Скорость распространения волны в диэлектрике определяется его относительной диэлектрической проницаемостью е,- и относительной магнитной проницаемостью ц,.:

У подавляющего большинства диэлектриков р,. = 1, и следовательно

В проводниках значение с велико. Вследствие возникновения в электропроводящих материалах под действием переменного магнитного поля электромагнитной волны вихревых токов происходит ослабление (поглощение) этого ноля (разд. 2.5). В радиоволновом диапазоне электромагнитных волн для определения коэффициента поглощения % может быть использована приближенная формула Хагена - Рубенса:

Отсюда вытекает, что скорость электромагнитной волны в проводнике

а ослабление электромагнитной волны происходит по экспоненциальному закону:

Расстояние б, преодолевая которое радиоволна ослабевает по напряженности в е раз, называется глубиной проникновения,

Аналогичная (6.11) зависимость характеризует изменение при распространении электромагнитной волны через электропроводящую среду плотности потока энергии волны:

где cj'(z) - плотность потока энергии в точке пространства, отстоящей от начала координат в направлении распространения волны на расстоянии z; q0 - плотность потока энергии в начале координат.

Входящая в показатель степени величина ап = у] 2 со а (а называется показателем поглощения материала. Анализ выражения (6.13) показывает, что уменьшение интенсивности электромагнитной волны при ее распространении в электропроводящей среде не зависит от плотности потока энергии излучения. Эта закономерность была экспериментально установлена французским ученым П. Бугером в 1729 г. и является общей не только для радиоволн, но и для других распространяющихся в пространстве колебаний.

Таблица 6.2

Глубина проникновения радиоволны

Среда

о, См/м

Цг

5, при/= 100 МГц

Сухая почва

КГ3

1

1,6 м

Морская вода

4

1

2,5 см

Дюраль

25-106

1

10 мкм

Медь

5 5• 106

1

7 мкм

Сталь

7-106

400

1 мкм

Если для слабо электропроводящих материалов возможно прохождение радиоволн на существенную глубину, то для проводников глубина проникновения радиоволн ничтожно мала. Для сравнения в табл. 6.2 приведены результаты расчета глубины проникновения 8 радиоволны частотой/= 100 МГц в различные среды.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >