СВЧ-устройства, которые можно обобщить определением структуры с периодическими неоднородностями, широко известны в теории и технике направляющих и излучающих систем. Подобные устройства, принцип действия которых основан на взаимодействии прямых и многократно отраженных от неоднородностей электромагнитных волн, нашли применение при создании фильтрующих схем, формирователей и преобразователей радиочастотных сигналов.
Наблюдающаяся на современном этапе научно-технического развития тенденция трансферта оптических и радиочастотных технологий обусловила повышенный интерес к этим устройствам как аналогам оптических фотонных кристаллов, Брэгговских структур и метаматериалов. Исследование свойств таких устройств в одном диапазоне электромагнитных колебаний может помочь открыть новые качества и явления в другом диапазоне.
Одним из направлений обмена технологий являются сенсорные приложения. Примером может служить волоконно-оптическая решетка Брэгга, широко используемая в измерительной технике, аналогом которой в радиодиапазоне можно назвать коаксиальный волновод с продольными периодическими неоднородностями [1].
В настоящей работе рассматриваются методы измерения параметров материальных сред, основанные на использовании в качестве преобразовательного элемента решетки Брэгга на радиочастотном коаксиальном кабеле. В частности, исследуются свойства и характеристики решетки при заполнении неоднородностей различными по диэлектрической проницаемости жидкими материалами.
Решетки Брэгга на радиочастотном коаксиальном кабеле
Рассмотрим свойства СВЧ-устройств с периодическими неоднородностями: фотонных кристаллов (ФК) и Брэгговских структур в коаксиальном кабеле и их приложения для измерения параметров материальных сред.
В радиочастотной области аналогом волоконной решетки Брэгга можно считать структуру, представляющую собой расположенные в направляющем волноводе периодические нерегулярности волнового сопротивления. В качестве направляющей системы может быть использован коаксиальный волновод, частным случаем такой структуры является решетка Брэгга на коаксиальном кабеле (РБКК) [4–5]. Введение нерегулярностей в поперечных сечениях оси РБКК производится высверливанием отверстий во внешнем проводнике и диэлектрическом заполнении кабеля (рис. 1).
СВЧ-системы с периодическими неоднородностями обладают большими перспективами использования в сенсорной технике в силу существования зависимостей частотных характеристик подобных структур от внешних условий: вариации электрофизических параметров материалов, контактно связанных с системой; геометрических преобразований структуры, изменений физических свойств компонентов системы [2–3].
а
б
Рис. 1. Решетка Брэгга на коаксиальном кабеле: сегмент коаксиального кабеля с нерегулярностью (а) и общий вид (б)
Проведенный анализ показывает, что связанный с неоднородностью диэлектрический материал (введенный в отверстия в случае РБКК, либо соприкасающийся с проводником в случае микрополоскового ФК) приводит к преобразованию формы частотных характеристик СВЧ периодической системы, характер которых зависит от диэлектрических параметров материального объекта. Отсюда следует, что подобный принцип может быть с успехом применен в измерителях свойств материальных сред при заполнении ими неоднородностей.
Моделирование отклика РБКК при заполнении неоднородностей различными жидкостями
Рассмотрим методы теоретического описания и компьютерного электродинамического моделирования структур в коаксиальном кабеле для реализации измерителей диэлектрических свойств материалов.
Измеритель представляет собой отрезок коаксиального кабеля с периодически расположенными отверстиями круглого сечения по всей длине кабеля. Отверстия прорезают внешнюю изоляцию, внешний проводник и внутренний диэлектрик кабеля. Кабель с подключенной согласованной нагрузкой заливают контролируемой жидкостью.
Теоретический анализ свойств и характеристик РБКК возможен следующими аналитическими и вычислительными операциями: методы численного расчета электромагнитных полей в линии передачи (теория связанных мод), приложения теории СВЧ цепей (матричный метод и метод ориентированных графов) и компьютерное моделирование в специализированных программах синтеза электродинамических структур.
Применив матричный метод описания СВЧ-устройств, можно определить частотные свойства коэффициента отражения свободного порта коаксиального кабеля. Общая матрица передачи РБКК будет определяться как:
, (1)
где n – число отверстий в коаксиальном кабеле, 
- матрица передачи однородного участка, 
- матрица передачи неоднородного участка с заполнением жидкостью.
Ориентированный граф в этом случае будет иметь вид, показанный на рис. 2, представляющий собой каскадное соединение однородных участков и участков с жидкостным заполнением.
Рис. 2. Ориентированный граф измерителя
С помощью метода ориентированных графов можно получить аналитическую зависимость для коэффициента отражения РБКК, используемого в качестве измерителя диэлектрических характеристик жидкостей.
В результате решения данного ориентированного графа с помощью метода не касающегося контура [4] получим выражение для коэффициента отражения РБКК:
, (2)
при этом выражение для коэффициента отражения от неоднородности в общем виде можно представить как:
, (3)
где y=g+jb – нормированная полная проводимость неоднородности, заполненной конкретной жидкостью, причем характеристики последнего звена определяются характеристиками согласующей проводимости.
Полученные расчетные характеристики для бензина (ε΄=4,5, tgδ=0,01, линия 1) и ацетона (ε΄=20,7, tgδ=0,05, линия 2) показаны на рис. 3.
При этом для воздуха центральная частота резонансной характеристики РБКК будет находиться на частоте 2,45 ГГц с коэффициентом отражения 0,9.
Экспериментальное исследование измерителя диэлектрических параметров жидких продуктов на РБКК
Задачей экспериментального исследования явилось физическое обоснование возможности применения РБКК для измерения диэлектрических характеристик жидкостей, разработка рекомендаций к построению технических средств для измерения диэлектрических характеристик жидких продуктов.
Рис. 3. Расчетные характеристики коэффициента отражения РБКК при заполнении бензином (линия 1) и ацетоном (линия 2)
Методика измерения характеристик РБКК, используемой в качестве измерителя диэлектрических характеристик жидких материалов, состоит из следующих операций:
-
К векторному анализатору цепей подключается через соединительный кабель коаксиальный кабель без отверстий с подключенной согласованной нагрузкой (калибровка 1).
-
Производится высверливание отверстий в коаксиальном кабеле с заданным периодом, количеством, диаметром и глубиной.
-
К разъему РБКК подключается согласованная нагрузка, которая герметизируется с помощью пластикового пакета.
-
Свободный конец РБКК подключается через соединительный кабель к векторному анализатору цепей и измеряется коэффициент отражения при воздушном заполнении отверстий (калибровка 2).
-
Отверстия РБКК заливают исследуемой жидкостью.
-
По изменившимся характеристикам отражения РБКК определяют диэлектрические параметры жидкости и ее тип (или концентрацию раствора).
Заключение. В результате проведенных исследований разработаны принципы построения, методы анализа и синтеза измерителей диэлектрических параметров жидкостей, основанных на Брэгговских сенсорных структурах в радиочастотном коаксиальном кабеле.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках базовой и проектной частей государственного задания на оказание услуг (выполнение работ) по организации научных исследований, выполняемых ФГБОУ ВПО «КНИТУ-КАИ» на кафедре телевидения и мультимедийных систем и в научно-исследовательском институте прикладной электродинамики, фотоники и живых систем (программа «Фотоника», задание З.1962.2014К).
Рецензенты:
Морозов О.Г., д.т.н., профессор, директор научно-исследовательского института прикладной электродинамики, фотоники и живых систем ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ», г. Казань;
Морозов Г.А., д.т.н., профессор, директор Казанского филиала ФГОБУ ВПО «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики», г. Казань.