ВОЛНЫ В ВОЛНОВОДАХ ПРИ НАЛИЧИИ ТОНКИХ ПЛЕНОК ПОЛЯРНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат наук Пенской Арсений Сергеевич

• Пенской Арсений Сергеевич
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Пенской Арсений Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

1 ПРИМЕНЕНИЕ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ В ЭЛЕКТРОНИКЕ

1.1 Использование воды и водосодержащих сред в качестве методов генерации и усиления колебаний

1.2 Методы измерения высоких уровней мощностей

1.3 Дисперсия диэлектрической проницаемости

1.4 Диэлектрическая проницаемость воды

1.5 Диэлектрическая проницаемость водных растворов

Выводы по главе

2 РАСПРОСТРАНЕНИЕ И ПРОХОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ В ВОЛНОВОДЕ ЧЕРЕЗ СЛОЙ ПОЛЯРНОГО ДИЭЛЕКТРИКА

2.1 Глубина проникновения электромагнитного излучения в воде

2.2 Коэффициент отражения электромагнитного излучения от воды

2.3 Коэффициент отражения волны в передающей линии, когда нагрузка является полярным диэлектриком

2.4 Прохождение электромагнитной волны через слой воды в волноводе

2.5 Эффект переотражения от границ раздела

2.6 Коэффициент отражения при падении волны на наклонную границу

Выводы по главе

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОХОЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ ЧЕРЕЗ СЛОЙ ВОДЫ

3.1 Постановка задачи для численного моделирования

3.2 Расчет пустого прямоугольно волноводного тракта

3.3 Расчет прямоугольного волноводного тракта, заполненного слоем полярного диэлектрика. Нормальное падение электромагнитной волны

3.4 Волна в волноводном тракте при наличии слоя диэлектрика с наклонной

границей раздела

Выводы по главе

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ВОДЫ

4.1 Постановка эксперимента

4.2 Погрешности измерений

4.3 Результаты экспериментальных исследований

4.3.1 Экспериментальное определение поглощения и отражения в зависимости от толщины слоя при нормальном падении волны на границу раздела

4.3.2 Экспериментальное определение угла полного согласования для нагрузки в виде слоя воды, помещенного в волновод

4.3.3 Сравнение результатов эксперимента с данными расчетов

Выводы по главе

5 ПРОХОЖДЕНИЕ ВОЛН В ВОЛНОВОДЕ ЧЕРЕЗ ТОНКИЙ СЛОЙ ГЛИЦЕРИНА

5.1 Диэлектрическая проницаемость глицерина

5.2 Глубина проникновения и коэффициент отражения электромагнитного излучения для глицерина

5.3 Экспериментальные исследования глицерина

Выводы к главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «ВОЛНЫ В ВОЛНОВОДАХ ПРИ НАЛИЧИИ ТОНКИХ ПЛЕНОК ПОЛЯРНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Развитие современной науки и расширение областей ее применения тесно связано с совершенствованием методов исследований и разработкой новых радиоэлектронных приборов, основными элементами которых являются электронные устройства различных типов. В свою очередь, расширение области применения радиоэлектронных устройств и выполняемых ими функций требует освоение новых частотных диапазонов, разработки генераторов и усилителей в терагерцовом диапазоне длин волн электромагнитного излучения, что ставит задачи поиска нетрадиционных путей в создании элементной базы. С укорочением длины волны существенно уменьшаются габариты приборов и уровни их рабочих мощностей, в результате чего практически невозможно получить приемлемые параметры таких приборов. Сложно уменьшать габариты приборов в иных частотных диапазонах (сверхвысокочастотном, диапазоне крайне высоких частот), хотя вопросы их миниатюризации также актуальны. Поэтому представляет интерес изучение процессов в иных системах, где процессы движения заряженных частиц используются как элементы преобразования видов энергии одну в другую, и использование в электронике нетрадиционных материалов.

Так в последнее время появились исследования, связанные с использованием воды или водосодержащих растворов в качестве элементов, позволяющих производить «переизлучение» электромагнитного сигнала или генерирование электрических колебаний, включающее воздействие электрическим полем на жидкую среду, помещенную между двумя электродами [41].

Особого внимания, как отмечено в работе [26], «заслуживает анализ эффекта «переизлучения» - способность предварительно облученной жидкости излучать электромагнитные волны в течение некоторого времени после прекращения облучения на частоте обучения, т.е. «памяти воды» [13], которая проявляется после предварительного воздействия на неё КВЧ и ТГц волн. Иными словами, вода

«помнит» факт её облучения и после выключения генератора выполняет функцию генератора КВЧ и ТГц волн в течение некоторого времени».

Кроме того, вода широко используется в качестве элементов для измерения больших уровней мощности в сверхвысокочастотном диапазоне. Калориметрический метод позволяет измерять СВЧ мощность от сотен микроватт до десятков и сотен киловатт. К примеру, в 1965 г., академиком АН СССР П. Л. Капицей при создании ниготрона в качестве нагрузки использовалась вода, а мощность излучения при этом достигала 300 кВт, однако, технических характеристик нагрузки представлено не было [24]. В калориметрических ваттметрах содержится жидкость, играющая роль переносчика тепла от рабочего тела во внешнюю среду. Если для этих целей используют дистиллированную воду или растворы на ее основе, то в силу ее большой поглощающей способности на частотах свыше 500 МГц она может одновременно играть роль объемного поглотителя мощности СВЧ в приемных преобразователях (калориметрических нагрузках) и является, таким образом, рабочим телом калориметра. По этой причине, важно знать, как ведут себя физические свойства воды в данном диапазоне частот.

Вопросы распространения радиоволн сверхвысоких частот в воде и других полярных диэлектриках также являются актуальными при воздействии на биологические среды, при изучении контрафактной продукции, в спектроскопии и т.д.

Несмотря на то, что изучению характеристик воды посвящено много работ, в значительной части эти исследования охватывают только принятые модели диэлектрической проницаемости, не учитывая распространения радиоволн, а исследования распространения радиоволн в воде и водных растворах проведены только для свободного пространства.

В СВЧ, миллиметровом диапазонах, в которых основой устройств канализации волн служат замкнутые области - волноводы, результаты исследований распространения радиоволн в воде и водных растворах практически отсутствуют. Особенности характеристик воды, как полярного диэлектрика, требуют дополнительного изучения, что и обуславливает актуальность поставленной работы.

Степень разработанности темы исследования. В связи с достаточно большим периодом времени, в течение которого изучаются свойства воды, накоплен большой объем материала. Отдельно изучением частотной зависимости диэлектрической проницаемости воды и полярных диэлектриков занимались такие ученые как: С. Гаврильяк, П. Дебай, Д. Дэвидсон, К. Коул, Р. Коул, С. Негами, Г. Фрелих, В. Эллисон. В значительной части эти исследования охватывают только принятые модели частотной зависимости диэлектрической проницаемости и не учитывают распространения радиоволн.

Изучением генерации электромагнитной энергии водой и водосодержащим слоем занимались такие ученые как: Н. И. Синицын, В. А. Ёлкин, О. В. Бецкий, А.С. Козьмин, Ю. Г. Яременко. Гапочка Л.Д., Гапочка М.Г, Королев А.Ф. Ими доказано наличие «памяти» воды и показаны возможности переизлучения электромагнитных колебаний в диапазоне КВЧ.

Больше количество исследований распространения радиоволн в воде и водных растворах (которые являются полярным диэлектриком) в свободном пространстве описано в работах О. Калла, А. Кляин, Н. Джеббор, А. Стогрин и др,

Все это свидетельствует о постоянном интересе к воде как особой жидкости, обладающей нестандартными характеристиками, как веществу, возможности использование которого далеко не исчерпаны.

Целью исследования является изучение механизмов распространения, поглощения и отражения электромагнитного излучения сверхвысокочастотного диапазона в волноводах при наличии тонких пленок полярных диэлектриков с целью изучения возможности их использования в интересах физической электроники как диэлектрической среды для различных целей.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- определить основные модели дисперсии комплексной диэлектрической проницаемости для двух типов полярных диэлектриков;

- получить теоретические зависимости коэффициентов отражения и поглощения в тонких пленках в волноводе от частоты излучения;

- провести численные расчеты на цифровой электродинамической модели распространения электромагнитных волн в воде;

- провести экспериментальные исследования распространения волн в волноводах с помещенным внутрь слоем разной толщины с водой или глицерином и при различных углах падения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- выведены соотношения для расчета коэффициентов отражения и поглощения СВЧ мощности от частоты от границы воздух - слой полярного диэлектрика при непосредственном размещении неоднородности в волноводном тракте;

- получены зависимости изменения коэффициента отражения от угла падения электромагнитной волны на поверхность и некоторых типов полярных диэлектриков, а также получены углы полного согласования таких систем;

- впервые получены трехмерные картины распределения электрического поля, а также распределение мощности волны внутри волновода при наличии границы раздела воздух-вода с разными углами наклона.

- теоретически и экспериментально доказана возможность согласования волноводного тракта с тонкими диэлектрическими пленками полярных диэлектриков.

Научная и практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты помогают понять процессы распространения электромагнитных волн сверхвысокочастотного диапазона в полярных жидких диэлектриках, что имеет место в таких областях как физическая электроника, химия, медицина, биофизика, геофизика, нефтепромысел и т.д. Высокие значения диэлектрических характеристик воды в сверхвысокочастотном диапазоне, а также ее аномальные свойства, позволяют использовать воду как источник вторичного излучения в сверхвысокочастотном и крайне высокочастотном диапазонах, в виде активной нагрузки для отвода или измерения высоких уровней мощностей электронике.

Методы определения коэффициентов отражения и поглощения позволяют определить значения диэлектрической проницаемости и времени релаксации. Кроме того, разница диэлектрических характеристик может быть использована также при определении контрафактной продукции жидкостей и растворов в фармакологической промышленности и медицине.

Методы исследования

В работе использовались экспериментальные методы определения коэффициента отражения на основе определения падающей и прошедшей мощности; экспериментальные определения коэффициента стоячей волны методами «максимума-минимума» и «удвоенного минимума». Для расчета электромагнитного поля внутри волноводного тракта использован метод конечных интегралов и методы компьютерного моделирования с использованием специализированного программного обеспечения CST Microwave Studio.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

По области исследования диссертация соответствует специальностям 01.04.04 «Физическая электроника» (пункт 4 - «Физические явления в твердотельных микро- и наноструктурах, молекулярных структурах и кластерах; проводящих, полупроводниковых и тонких диэлектрических пленках и покрытиях».

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Аналитические расчеты коэффициентов поглощения и отражения, зависимости их от толщины слоя и условий согласования с волноводным трактом тонких пленок воды и глицерина.

2. Результаты цифрового электродинамического моделирования распространения волн в волноводе с расположенным в нем слоем полярного диэлектрика.

3. Результаты экспериментальных исследований по определению коэффициентов поглощения и отражения, зависимости их от толщины слоя и условий согласования с волноводным трактом тонких пленок воды и глицерина, подтверждающих теоретические выводы.

Достоверность результатов исследования обусловлена корректной постановкой экспериментальных исследований при статистической обработке результатов эксперимента, строгой аналитической аргументацией полученных теоретических положений с использованием классических физических законов, достаточным количеством результатов численных расчетов, коррелирующих с экспериментальными и литературными данными.

Апробация результатов. Результаты исследований докладывались на семинарах кафедры Физики ВолгГТУ (2012 - 2015 гг.), на XVI и XVIII региональной конференции Региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2011 г., 2014 г.), на 24-ой Международной конференции. «СВЧ - техника и телекоммуникационные технологии», Севастополь, (2016 г.), на Международной научно-практической конференции «Новая наука: опыт, традиции, инновации» (2016 г.), на Международной научно-практической конференции "Тенденции и перспективы развития науки XXI века" (2016 г.)

Публикации. Всего - 11 научных работ, из которых 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 1 статья в иностранном журнале и 5 тезисов докладов.

Личный вклад автора.

В соответствии с задачами, поставленными научным руководителем, автор принимал непосредственное участие в цикле экспериментальных исследований и принял участие в обсуждении результатов, провел анализ современных моделей диэлектрической проницаемости полярных диэлектриков, самостоятельно выполнил расчеты и проанализировал результаты численных расчетов характеристик полярных жидкостей в волноводе. Основные научные результаты опубликованы в соавторстве с научным руководителем.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы. Общий объем составляет 111 страниц, включая 60 рисунков и 180 формул, 3 таблицы. Список литературы содержит 87 наименований.

1 ПРИМЕНЕНИЕ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ В ЭЛЕКТРОНИКЕ

1.1 Использование воды и водосодержащих сред в качестве методов

генерации и усиления колебаний

Одной из областей исследования воды и водосодержащих сред является разработка новых нетрадиционных методов генерации и усиления колебаний в терагерцовом диапазоне частот. К таким исследованиям относится работа А.С. Козьмина «Низкоинтенсивное электромагнитное излучение миллиметрового диапазона воды и водных растворов» [26], [28], [30], [35]. В работе были приведены результаты исследований следующих жидкостей: 0,9% водный раствор NaCl; 1-моль водного раствора KCl; 1-моль раствора мочевины; 96% этиловый спирт; 40% водный раствор этилового спирта; 40% водный раствор этилового спирта с добавлением дигидроквертицина в концентрации 50 мг/л; обогащенная кислородом вода. Все исследуемые жидкости имеют собственное тепловое излучение на частотах 61.2; 118 и 150 ГГц. Собственное излучение исследованных жидкостей достоверно отличается. В работе уделено внимание тому, что «радиофизический отклик» не связан с тепловым эффектом. Излучение электромагнитных волн различными жидкостями определяется межмолекулярными взаимодействиями воды и с растворенными в ней различными веществами.

При этом следует отметить, что в работе мало уделено внимания вопросам отражения ЭМИ от водосодержащих сред. Указано, что отражение ЭМИ от поверхности исследованных жидкостей на частоте 61.2 ГГц составляет 5-10%, при нормальном падении электромагнитной волны. Данные значения получены экспериментально и никаких теоретических подтверждений не приведено. Однако, расчет по формулам, полученным в данной работе, показывает, что коэффициент отражения для воды на данной частоте намного выше и составляет 45 %. Поэтому, необходимы дополнительные исследования вопросов отражения. Не уделено внимание вопросам поглощения, а также зависимости от объема облучаемой жидкости.

Существуют исследования по генерации электрических колебаний с помощью полупроводников и жидких диэлектриков. В частности, в патенте Барышева М. Г. и Ломакиной Л. В. [41] предлагается способ генерации, реализующий воздействие электрическим полем на жидкую среду, помещенную между двумя электродами. В качестве жидкой среды используют белковые растворы на основе веществ, имеющих водородные связи (водные или водно-спиртовые растворы). Но опять же, при воздействии электрическим полем не изучаются вопросы прохождения, отражения и поглощения ЭМИ водными растворами. Все исследования носят экспериментальный характер.

Отдельно стоит выделить работы Н. И. Синицына и В. А. Ёлкина, которыми был получен эффект генерации электрической энергии тонким водосодержащим слоем [54-56].

Суть сделанного открытия состоит в том, что тонкий слой чистой воды (под которым понимаются водосодержащие слои толщиной порядка миллиметра, долей миллиметра и тоньше, вплоть до долей микрона, единиц и долей нанометра) при определенных условиях становится источником ЭДС, от которого можно получить электрическую энергию. Чтобы создать эти условия необходимо, чтобы, во-первых, слой воды с двух противоположных сторон был окружен двумя поверхностями слоев из проводящего материала. Причем, чтобы избежать возможности изменения химического состава воды, эти проводящие слои должны состоять из нерастворимого в воде материала. Во-вторых, проводящие поверхности слоев, контактирующих с водосодержащим слоем, должны иметь микро- или наноразмерные структурные неоднородности в виде выступов или впадин или микро- или наноразмерные параметрические неоднородности. Тогда между проводящими слоями этой системы возникает разность потенциалов. Если же к проводящим слоям системы подключить электрическую нагрузку, то протекающий в этой нагрузке ток, приводит к выделению электрической энергии. Обнаруженный эффект называется также водоэлектрическим эффектом. Эффект обусловлен структурированием водной среды, которое начинается в наведенном неоднородном электрическом поле у поверхности микро- или наноразмерных структурных

или параметрических неоднородностей, контактирующих с наночастицами в водной среде, с молекулами воды - постоянными диполями. Наведенное неоднородное электрическое поле приводит не только к структурированию водной среды, но также к разделению и переносу противоположно заряженных компонентов водной среды на противолежащие проводящие поверхности слоев, окружающих водосодержащий слой.

При этом особо отмечается, что проводящие слои, ограничивающие водо-содержащий слой, могут не полностью состоять из проводящего материала. Для достижения водоэлектрического эффекта достаточно, чтобы их поверхности, контактирующие с водосодержащим слоем, имели проводящие включения, которые бы в каждом слое (и в первом, и во втором) были бы объединены в единую электрическую шину.

Эксперименты проводились на углеродных, кремниевых, стеклоуглеродных и диоксид ванадиевых микро- и наноструктурах, а также на микроструктурах из золота, хрома и ряда других нерастворимых в воде металлов, заключающих между собой тонкие, порядка 100 микрон и тоньше, слои бидисциллята воды при площади контакта с водой порядка 1 сантиметра квадратного. При выходном напряжении от 7-15 мВ и до 500 мВ ток в электрической нагрузке от 5-10 нА до 6000 нА.

1.2 Методы измерения высоких уровней мощностей

Наиболее распространенным видом измерения СВЧ мощности, является измерение поглощаемой мощности. В данном случае приемный преобразователь является согласованной нагрузкой, которая подключается в конце передающей линии. В зависимости от вида приёмных преобразователей используются различные методы измерения поглощаемой мощности.

Известно, что ваттметры делятся на три типа по уровню измеряемой мощности: ваттметры малой мощности (до 10 мВт); ваттметры средней мощности (свыше 10 мВт до 10 Вт; ваттметры большой мощности (свыше 10 Вт до 10 кВт)

[14].

Существует множество методов измерения мощностей: тепловые, метод вольтметра, метод с использованием частотно-избирательных ферритовых элементов. Однако, для измерения высоких значений мощности СВЧ сигнала (до 10 кВт) используются, в основном, тепловые ваттметры, в частности, калориметрические методы измерения мощности [11].

Тепловые методы основаны на преобразовании энергии СВЧ в тепловую с последующим измерением приращения температуры рабочего тела, в котором происходит преобразование, или величины замещающей мощности низкой частоты или постоянного тока, вызывающей эквивалентное приращение температуры рабочего тела.

Применение калориметрического метода для измерения СВЧ мощности является частным случаем его использования в области физических исследований. Широкое применение этого метода оправдано простотой превращения энергии электрического тока в теплоту. Устройство калориметрических ваттметров СВЧ весьма разнообразно и определяется в основном уровнем мощности, диапазоном частот и требуемой точностью.

Все калориметрические измерители мощности делятся на две группы: калориметры с переменной температурой, в которых мощность определяется по изменению температуры рабочего тела калориметра, и калориметры с постоянной температурой. При этом, калориметрические ваттметры также могут делиться как на статические, так и на проточные. В статических приборах, рабочее тело приемного преобразователя, где энергия СВЧ колебаний превращается в тепловую, неподвижно и в процессе измерения не изменяет формы и физических свойств.

В проточных калориметрических ваттметрах содержится жидкость, играющая роль переносчика тепла от рабочего тела во внешнюю среду. Если для этих целей используют дистиллированную воду или растворы на ее основе, то в силу ее большой поглощающей способности на частотах свыше 500 МГц она может одновременно играть роль объемного поглотителя мощности СВЧ в приемных преобразователях (калориметрических нагрузках) и является, таким образом, рабочим телом калориметра.

Рабочим телом для статических калориметров может служить как вода, так и твердые объемные пленочные поглотители. В случае использования твердых материалов приборы называют «сухими» калориметрами.

Рассмотрим подробнее проточный калориметр. Структурная схема проточного калориметра показана на рисунке 1. 1

Выход йзды

т ~ ' Вход

Реви

| п Приемный ГТГ преобразователь

Ж

Измеритель расхода воды

Регулятор расхода воды

Воды

Рисунок 1.1 - Структурная схема проточного калориметра

В проточных калориметрах процесс измерения СВЧ мощности сводится к измерению приращения температуры рабочего тела в установившемся режиме и расхода циркулирующей жидкости. Приращение температуры жидкости определяют с помощью термометров, термопар, а ее регулируемый расход - расходо-метром.

Если принять, что вся СВЧ мощность полностью расходуется на разогрев воды, а удельная теплоемкость воды и ее расход постоянны, то измеряемую мощность в установившемся режиме можно определить согласно выражению

Р = с^йв, (1.1)

где сс - удельная теплоемкость воды, Дж/кг-°С; q - расход воды, м3/с; 1 - плотность воды, кг/м ; в - разность температуры воды на входе и выходе приемного преобразователя, оС.

В зависимости от диапазона частот и степени согласования с передающим трактом приемные преобразователи проточных калориметров имеют различные конструкции. Так, например, приемный преобразователь коаксиально типа представляет либо пленочный резистор цилиндрического типа, заключенный в металлический экран экспоненциальной формы, омываемой водой или другой жидкостью, либо объемную нагрузку, у которой часть коаксиала заполнена жидкостью.

Волноводные приемные преобразователи, как правило, представляют калориметрические согласованные нагрузки объемного типа.

Например, ваттметр поглощаемой мощности М3-11А предназначен для измерения мощности СВЧ сигналов в трактах с волновым сопротивлением 50 Ом. В основу его работы положен метод сравнения измеряемой СВЧ мощности, рассеиваемой в рабочей калориметрической нагрузке, с известной мощностью постоянного тока, рассеиваемой в опорной нагрузке, являющейся аналогом рабочей. В приборе применена балансовая система калориметра с замкнутым движением кремнийорганической жидкости ПМС-1. Структурная схема прибора приведена на рисунке 1.2

1 - приемный преобразователь (рабочая нагрузка); 2, 5 - термочусвтивтельные резистры; 3 -

насос; 4 - теплообменник; 6 - опорная нагрузка.

Рисунок 1.2 - Схема прибора М3-11А

Основные характеристики прибора:

- диапазон частот 1 МГц - 11.5 ГГц;

- предел измерений 10 мВт - 10 Вт;

- входное сопротивление 50 Ом;

- КСВ входа прибора 1.25 - 1.6;

- время установления показаний 15-25 с.

К основным минусам данного прибора относятся - высокое КСВН и невысокие значения измеряемой мощности.

Другой калориметрический измеритель мощности М3-13, схема которого показана на рисунке 1.3, состоит из калориметрической нагрузки А (приемного преобразователя) и измерительного блока, соединенных гибким шлангом. Калориметрическая нагрузка представляет собой поверхностный резистор типа МОУ, заключенный в согласующий экран.

Рисунок 1.3 - Схема прибора М3-13

Наружная и внутренняя поверхности резистора омываются водой. В подводящем и отводящем каналах нагрузки установлены калибровочная спираль и блок дифференциальных термопар. Вода подается в нагрузку из системы водоснабжения, которая расположена в измерительном блоке и состоит из центробежного насоса, регуляторы расхода воды и радиатора, охлаждаемого потоком воздуха от вентилятора. Вентилятор и центробежный насос приводятся в действие электродвигателем М. Кроме системы водоснабжения в измерительный блок входят калибратор, отсчётное устройство и блок питания.

Перед началом измерений прибор калибруют на переменном токе 50 Гц, подавая соответствующую мощность на калибровочную спираль. Разность температур воды на входе и выходе преобразователя, пропорциональную мощности ка-

либровки, измеряет блок дифференциальных термопар. Затем сигнал калибровки отключают и подают измеряемую мощность.

Основные характеристики прибора:

- диапазон частот 30-1600 МГц;

- пределы измерения 6-2000 Вт;

- входное сопротивление 75 Ом;

- КСВ входа прибора не более 1.3;

- время установления показаний не более 2 мин.

Данный прибор позволяет измерять более высокие значения мощности, однако, частота измеряемой мощности ограничена значением 1.6 ГГц.

В таблице 1.1 приведены все выпускаемые отечественные ваттметры, способные измерять высокие значения мощности СВЧ сигнала. Видно, что основная часть ваттметров приходится на диапазон частот до 1.6 ГГц, для измерения мощности сигнала на частотах выше используются следующие ваттметры: М3-11,А; М3-13/1; М3-46, М3-47, МКЗ-70, МКЗ-71, МЗ-96. Кроме того, КСВН большинства измерителей мощности на данном диапазоне частот равен 1.4. Следует отметить также то, что во всех калориметрических ваттметрах между подводящим волноводом и рабочим (калориметрическим телом) используется согласованная нагрузка, что в свою очередь ограничивает такие измерители мощности по диапазону частот и степени согласования, кроме того, часть мощности может рассеиваться в данных согласованных нагрузках, что также виляет на точность измерения.

Калориметрический метод позволяет измерять СВЧ мощность от сотен микроватт до десятков и сотен киловатт. К примеру, в 1965 г., П. Л. Капицей при создании ниготрона в качестве нагрузки использовалась вода, а мощность излучения при этом достигала 300 кВт [24], однако, технических характеристик нагрузки представлено не было. Стоит отметить, что ни один из представленных в таблице 1.1 измерителей мощности не позволяет измерять такие значения мощностей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Пенской Арсений Сергеевич, 2016 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Баскаков, С. И. Электродинамика и распространение радиоволн / С. И. Баскаков - М. : Высшая школа, 1992. - 416 с.

2 Бергер, М. Н. Прямоугольные волоноводы с диэлектриками / М. Н. Бергер, Б. Ю. Капилевич - М. : Сов. радио. - 1973. - 256 с.

3 Бецкий, О. В. Миллиметровые волны в биологии / О.В. Бецкий, М.Б. Го-лант, Н.Д. Девятков. - М. : Знание, 1988. - 64 с.

4 Бецкий, О. В. Лечение электромагнитными полями. / О. В. Бецкий, Н. Д. Девятков, Н. Н. Лебедева // Биомед. радиоэлектроника. - 2000. - №12. - С. 10-30.

5 Бецкий, О.В. Миллиметровые волны и живые системы / О.В. Бецкий, В.В. Кислов, Н.Н. Лебедева. - М. : САЙНС-ПРЕСС, 2004. - 272 с.

6 Бецкий, О. В. Терагерцовые волны и их применение в биологии и медицине / О. В. Бецкий, В. В. Кислов, A. C. Козьмин // Сборник трудов 14 Российского симпозиума с международным участием «Миллиметровые волны в медицине и биологии», М., 2007. - С. 8587.

7 Бецкий, О.В. Терагерцовые волны и их применение / О. В. Бецкий, В. В. Кислов, A. C. Козьмин // Сборник трудов 17-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». - 2007. - Т. 2. -С. 771-773.

8 Бецкий, О.В. Возможные применения терагерцовых волн / О. В. Бецкий, A. C. Козьмин, Ю. Г. Яременко // Биомед. радиоэлектроника. - 2008. - №3. - С. 48-56.

9 Бецкий, О.В. Роль температурных градиентов и конвективно-диффузионных процессов в механизмах биологических эффектов миллиметровых волн / О. В. Бецкий, A. C. Козьмин, Е. Е. Хижняк // Биомед. радиоэлектроника. - 2009. - №12. -С. 24-34.

10 Бецкий, О.В. Роль микроконвекции в тонких пограничных слоях жидких сред в механизмах биологических эффектов миллиметровых излучений нетепловых интенсивностей / О. В. Бецкий, A. C. Козьмин, Е. Е. Хижняк // Биомед. радиоэлектроника. - 2010. - №5. - С. 34-38.

11 Билько, М. И. Измерение мощности на СВЧ / М. И. Билько [и др.] - М. : Сов. Радио. -1976. - 168 с.

12 Гаврильяк, С. Анализ а-дисперсии в некоторых полимерных ситемах методами комплексных переменных / С. Гаврильяк, С. Негами - М. : Мир, 1968 - 118137 с.

13 Гапочка, Л. Д. Воздествие электромагнитного излучения КВЧ - и СВЧ -диапазонов на жидкую воду / Л. Д. Гапочка [и др.]// Вестник МГУ. - 1994. - Т. 35. -№ 4. - С. 71-76.

14 ГОСТ 8476-93. Приборы аналоговые показывающие электроизмерительные прямого действия и вспомогательные части к ним. Часть 3. Особые требования к ваттметрам и варметрам. - М. : Изд-во стандартов, 1995 - 24 с.

15 Гусев, Ю. А. Основы диэлектрической спектросокпии : учеб. пособие / Ю. А. Гусев - Казань : КГУ. - 2008. - 112 с.

16 Дебай, П. Полярные молекулы / П. Дебай - М. : ГНТИ. - 1931 - 281 с.

17 Девятков, Н.Д. Миллиметровые волны и их роль в процессах жизнедеятельности / Н.Д. Девятков, М.Б. Голант, О.В. Бецкий. - М. : Радио и связь. - 1991. - 160 с.

18 Дмитриенко, Г. В. Метод измерения комплексного коэффициента отражения низкоимпендансных композиционных материалов в СВЧ-диапазоне с использованием промежуточных эталонов / Г. В. Дмитриенко // Метрология. -2008. - № 4. - С. 31-38

19 Заргано, Г. Ф. Волноводы сложных сечений / Г. Ф. Заргано, В. П. Ляпин, В. С. Михалевский - М. : Радио и связь. - 1986. - 124 с.

20 Измеритель мощности термисторный М3 - 22А : техническое описание и инструкция эксплуатации 2.720.008. - 2008. - 144 с.

21 Калашников, Г. В. Определение коэффициента диэлектрических потерь СВЧ-блока сушилки / Г. В. Калашников, Е. В. Литвинов, А. А. Щекин // IV международная научно-техническая конференция "Современные инновации в науке и технике". - 2014. - Т. 2. - С. 218-220.

22 Капилевич, Б. Ю. Отражение от диэлектрического клина в прямоугольном волноводе / Б. Ю. Капилевич, Н. С. Симин // Радиофизика. - 1976. - Т. XIX. - № 1. -С. 577-583.

23 Капилевич, Б. Ю. Отражение от наклонной границы раздела двух сред в прямоугольном волноводе / Б. Ю. Капилевич // Радиофизика. - 1975. - Т. XVIII. - № 4. - С. 136-140.

24 Капица, П. Л. Электроника больших мощностей / П. Л. Капица. - М. : Издательство Академии Наук СССР, 1962. - 198 с.

25 Кинг, Р. Антенны в материальных средах / Р. Кинг, Г. Смит - М. : Мир. -1984. - 824 с.

26 Козьмин, А. С. Низкоинтенсивное электромагнитное излучение миллиметрового диапазона воды и водных растворов : дис. ... канд. физ.-мат. наук : 01.04.04 : защищена 24.11.2011 / Козьмин Александр Михайлович. - М., 2011. - 120 с.

27 Козьмин, А. С. Терагерцовые волны и перспективы их применения / А. С. Козьмин, Ю. Г. Яременко // Миллиметровые волны в биологии и медицине. -2006. - №4(44). - С. 67-75.

28 Козьмин, А. С. Исследования процессов «переизлучения» водой и водными растворами низкоинтенсивного миллиметрового излучения./ А. С. Козьмин // Нелинейный мир. - 2008. - №4. - Т.6. - С. 243-245.

29 Козьмин, А. С. Влияние процесса испарения на динамику нагрева пограничных слоев биологически значимых жидких сред при действии электромагнитных излучений миллиметрового диапазона длин волн / Е. Е. Хижняк, А. С. Козьмин // Миллиметровые волны в биологии и медицине. - 2009. - №4(56). -С. 14-20.

30 Козьмин, А. С. Анализ биофизических механизмов воздействия низкоинтенсивных электромагнитных волн в крайне высокочастотном и терагерцевом диапазонах частот / А. С. Козьмин [и др.] // Биомед. радиоэлектроника. - 2014. - № 5. - С. 29-37.

31 Ландау, Л. Д. Электродинамика сплошных сред. Т. VIII. / Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц - М. : Наука. - 1982. - 621 с.

32 Левин, Л. Теория волноводов / Л. Левин .- М. : Радио и связь. - 1981. - 312

с.

33 Линия измерительная волноводная Р1 -28 : техническое описание и инструкция по эксплуатации ГВ2.744.013 ТО. - 1985. - 58 с.

34 Лященко, А. К. Диэлектрические проницаемости и релаксация в водных растворах K2[PDLC4] и К2[РТСЬ4] / А. К. Лященко [и др.] // Координационная химия. - 2009. - Т. 35. - №9. - С. 643-649.

35 Лященко, А. К. Радиояркостные контрасты и излучение водных растворов солей в миллиметровой области спектра/ А. К. Лященко [и др.] // Доклады академии наук. - 2015. - Т. 462. - № 5. - С. 561.

36 Машковцев, Б. М. Теория волноводов. / Б. М. Машковцев, К. Н. Цибизов, Б. Ф. Емелин - М. : Наука. - 1966. - 352 с.

37 Миттра, Р. Аналитические методы теории волноводов. / Р. Миттра, С. Ли -М. : Мир. - 1974. - 325 с.

38 Мулев, Ю. В. СВЧ-метод диагностики двухфазного состояния водного носителя / Ю. В. Мулев, А. Ю. Мулев // Теплоэнергетика - 2009. - № 4. - С. 47-50.

39 Одинаев, С. Теоретические и экспериментальные исследования диэлектрических свойств растворов электролитов / С. Одинаев, Р. Махмадберов // Изв. АН Республ. Таджикистан, отдел. физ.-мат., хим., геолог. и техн. наук. - 2013. - №1. -С. 47-59.

40 Панорамный измеритель КСВН и ослабления Р2-61 : техническое описание и инструкция по эксплуатации. - 1985. - 44 с.

41 Пат. 2361325 Российская Федерация, МПК Ш^51/30, 02Ш3/00. Способ генерирования электрических колебаний / Барышев М. Г., Ломакина Л. В.; заявитель и патентообладатель ЮНЦ РАН, ГОУ КубГУ. - заявл. 26.02.2008 ; опубл. 10.07.2009.

42 Пенской, А.С Зависимость биологического эффекта воздействия ЭМИ СВЧ на зёрна пшеницы от их расположения в поле секториального рупора / А. С. Пенской [и др.] // Биомед. радиоэлектроника. - 2010. - № 6. - С. 26-30.

43 Пенской, А.С. Оценка потерь энергии электромагнитной волны в биологических средах / А.С. Пенской [и др.] // Биомед. радиоэлектроника. - 2010. - № 6. - С. 12-15.

44 Пенской, А. С. Изучение диэлектрических свойств воды в СВЧ-диапазоне / А. С. Пенской, А. Г. Шеин // Биомед. Радиоэлектроника. - 2011. - № 9. - С. 62-66.

45 Пенской, А. С. Измерения коэффициента отражения воды в СВЧ-диапазоне / А. С. Пенской, Н. И. Мальцев, А. П. Пустовалов // Изв. ВолгГТУ. Сер. «Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь». Вып. 7 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2013. - № 3 (106). - С. 91-95.

46 Пенской, А. С. Определение угла Брюстера для глицерина в СВЧ диапазоне / А. Г. Шеин, А. С. Пенской, А. П. Пустовалов // Изв. ВолгГТУ. Сер. «Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь». Вып. 11: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2015. - № 3 (161). - С. 19-24.

47 Петросян, В.И. Проблемы косвенного и прямого наблюдения резонансной прозрачности водных сред в миллиметровом диапазоне / В. И. Петросян, Н. И. Синицын, В. А. Ёлкин и др. // Биомед. радиоэлектроника. - 2000. - №1. - С. 825832.

48 Петросян, В.И. Взаимодействие водородсодержащих сред с магнитными полями / В. И. Петросян [и др.] // Биомед. радиоэлектроника. - 2000. - №2. - С.10-17.

49 Петросян, В.И. Проблемы косвенного и прямого наблюдения резонансной прозрачности водных сред в миллиметровом диапазоне / В. И. Петросян [и др.] // Биомед. радиоэлектроника. - 2003. - № 1. - С. 34-40.

50 Пресман, А. С. Электромагнитные поля и живая природа / А. С. Пресман. -М. : Наука. - 1968. - 289 с.

51 Рабинович, В. А. Краткий химический справочник. / В. А. Рабинович, З. Я. Хавин - Ленинград : Издательство «ХИМИЯ». - 1978 - 392 с.

52 Севрюгин, В. А. Особенности электропроводности водных растворов глицерина / В. А. Севрюгин, В. В. Лоскутов, Г. Н. Косова // Изв. Уфимского научн. центра РАН. - 2014. - № 3. - С. 40 - 43

53 Синицын, Н. И. Явление генерации электрической энергии тонким водосодержащим слоем / Н. И. Синицын, В. А. Ёлкин // Биомед. Технол. и радиоэлектроника. - 2006. - № 1-2. - С. 35 - 53

54 Синицын, Н. И., Особая роль системы «ММ-волны водная среда» в природе / Н. И. Синицын, В. И. Петросян, В. А. Ёлкин // Биомед. я радиоэлектроника. - 1998.

- № 1. - С.5-23.

55 Синицын, Н. И. «СПЕ-эффект» / Н. И. Синицын, В. И. Петросян, В. А. Елкин // Радиотехника. - 2000. - №8. - С.83-93.

56 Синицын, Н. И. Миллиметровые волны и наноструктуры будущее медицины ибиоэлектроники / Н. И. Синицын, В. А. Ёлкин, О. В. Бецкий // Биомед. радиоэлектроника. - 2009. - №3. - С. 2135.

57 Способ измерения мощности СВЧ / О. В. Бецкий [и др.] // Авторское свидетельство №1101750. Бюллетень открытий и изобретений. - 1984. - №25. - C. 120.

58 Табарин, В. А. Определение содержания связанной воды в кернах на СВЧ /

B. А. Табарин, С. Д. Демьянцева // Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело" [Электронный ресурс]. - 2009. - Режим доступа : http: //ogbus .ru/authors/Tabarin/Tabarin_ 1.pdf

59 Усанов, Д. А. Изменение диэлектрической проницаемости и тангенса диэлектрических потерь воды на СВЧ при совместном воздействии низкочастотного и постоянного магнитного полей / Д. А. Усанов, А. Д. Постельга, А. Д. Усанов // Физ. волновых процессов и радиотехн. Системы. - 2009. - № 1. -

C. 34-38

60 Шеин, А. Г. К теории наклонных диэлектрических окон в прямоугольном волноводе / А. Г. Шеин, Ю. В. Шаворыкин // Изв. Вузов СССР - Радиоэлектроника.

- 1969. - Т. XII. - № 10. - C. 1215-1217.

61 Шестопалов, В. П. Методы измерения диэлектрических проницаемостей вещества на сверхвысоких частотах / В. П. Шестопалов // УФН. - 1961. - Т. LXXIV

- № 4. - С. 721-756

62 Эйзенберг, Д. Структура и свойства воды / Д. Эйзенберг, В. Кауцман ; перев. А. К. Шемелина ; под ред. В. В. Богородского - Л. : Гидрометеоиздат. -1975. - 280 с.

63 Яковлева, Г. В. Изменение электрохимических показателей и структурного состояния воды при СВЧ-облучении / Г. В. Яковлева [и др.] // Гигиена и санитария. -2010. - №4. - С. 52-55.

64 Baker - Jarvis, J. Transmition/Reflection and Short-Circuit Line Permittivity Measurements / J. Baker - Jarvis - Colorado : Boulder. - 1990. - 148 P.

65 Behrends, R. Dielectric properties of glycerol/water mixtures at temperatures between 10 and 50 oC / R. Behrends, K. Fuchs, U. Kaatze // J. Chemical Physics. - 2006.

- № 124

66 Calla, O. P. N. Measurement of dielectric constant of saline water and estimation of emissivity and scattering coefficient at different physical temperatures at microwave frequencies / O. P. N. Calla // Proc. of the XXVIIIth URSI General Assembly in New Delhi. - 2011.

67 Casalini, R. On the low frequency loss peak in the dielectric spectrum of glycerol / R. Casalini, C. M. Roland // J. Chemical Physics. - 2011.

68 Cole, K. S. Dispersion and absorption in dielectrics. I. Alternating current characteristics / K. S. Cole, R. H. Cole // J. Chemical Physics. - 1941. - Vol. 9. - No. 4. - P. 341352.

69 Cole, R. H. Dielectric relaxation in glycerol, propylene glycol and n-propanol / R. H. Cole, D. W. Davidson // J. Chemical Physics. - 1950. - No. 19. - P. 1484-1490.

70 Ellison, W. J. Permittivity of pure water, at standart atmospheric pressure, over the frequency range 0-25 THz and the temperature range 0-100 C / W. J. Ellison // J. Physical and Chemical Reference Data. - 2007. - Vol. 36. - № 1

71 Ellison, W. J. New permittivity measurements of seawater / W. J. Ellison, A. Balana, G. Delbos // Radio Science. - 1998. - Vol. 33. - № 3. - P. 639 - 648

72 Eremenko, Z. E. Complex Permittivity Measurement of High Loss Liquids and its Application to Wine Analysis [Электронный ресурс]. / Z. E. Eremenko, V. N. Skresanov, A. I. Shubnyi - 2009. - Режим доступа : http://www.intechopen.com/books/electromagnetic-waves/complex-permittivity-measurement-of-high-loss-liquids-and-its-application-to-wine-analysis

73 Frolich, H. Theory of dielectrics / H. Frolich - Clarendon Press. - 1949 - 180 p.

74 Gadani, D. H. Effect of salinity on the dielectric properties of water / D. H. Gadani, V. A. Rana, S. P. Bhatnagar // Indian J. of Pure & Applied Physics. - 2012. -Vol. 50. - P. 405-410.

75 Jebbor, N. A microwave method for complex permiititvity extraction of thin materials / N. Jebbor, B. Seddik // J. of Microwaves, Optoelectronics and Electromagnetic Applications. - 2012. - Vol. 11. - № 2. - P. 285.

76 Johari, G. P. Dielectric properties of glycerol in the range 0.1-10A5 Hz, 218357 K, 0-53 kb / G. P. Johari, E. Whalley // Faraday Symposia of the Chemical Society.

- 1972. - № 6. - P. 23 - 41.

77 Jones, S. B. Standardizing characterization of electromagnetic water content sensors: Part 1. Methodology / S. B. Jones, J. M. Blonquist, D. A. Robinson // Vadose Zone Journal. - 2005. - P. 1048 - 1058.

78 Klein, A. L. An improved model for the dielectric constant of sea water at microwave frequencies / A. L. Klein, T. C. Swift // Trans. on Antennas and Propagation.

- 1977. - Vol. 25. - № 1. - P. 104.

79 Lunkenheimer, P. Fast dynamics of glass-forming glycerol studied by dielectric spectroscopy / P. Lunkenheimer, A. Pimenov, M. Dressel // Physical Review Letters. - 1996. - Vol. 77. - № 2. - P. 318 - 321.

80 Megens, M. Orientational relacation times of rhodamine 700 in glycerol-water mixtures / M. Megens, R. Sprik, G. H. Wegdam // J. Chemical Physics. - 1997. - № 2. -P. 493-498

81 Penskoy, A.S. Measurement of Water Reflection Cjefficient in microwave Range / Shein A.G., Penskoy A.S., Pustovalov A.P. // Int. Journal of Advance in Medical Science (AMS). - 2014. - Vol. 2. - P. 24-27.

82 Physical Properties of Glycerine and Its Solutions Glycerine Producers' Association. - 1963. - 27 P.

83 Sengwa, R. J. Comparative dielectric study of mono, di and trihydric alcohols / R. J. Sengwa // Indian journal of pure & applied physics. - 2003. - V. 41. - P. 295 - 300

84 Stogryn, A. The microwave dielectric properties of sea and fresh water / A. Stogryn, H. Bull, K. Rubayi // Gen Crop Aerojet. - 1995

85 Vladana, L. A. Discussion of some experimental methods for permittivity measurements on 12-Thungstophoric Acid Hexahydrate in the frrequency range 8-12 GHz / L. A.Vladana, B. Radivoje, T. Cajkovski // Microwave Method. - 1997 - P.20 -23.

86 Yan-Zhen Wei A new graphical representation for dielectric data / Yan-Zhen Wei, S. Sridhar // J. Chemical Physics. - 1993. - Vol. 99. - № 4 - P. 3119-3124.

87 You, K. Y. Modeling of dielectric relaxation for lossy materials at microwave frequencies using polynomial approaches / K. Y. You, Z. Abbas, M. F. A. Malek // J. Tecnology (Sciences & Engineering). - 2012. - № 58. - P. 51 - 65.