Измерение радиотехнических характеристик материалов и покрытий с использованием рефлектометров серии CABAN

Введение

Современный этап развития радиолокационной и антенной техники, оборудования радиосвязи характеризуется использованием радиопоглощающих и радиопрозрачных материалов и покрытий [1]. Такие покрытия предназначены для решения различных задач как военного, так и гражданского назначения и в зависимости от их конкретного применения могут обладать высокой эффективностью как на фиксированных частотах, так и в отдельных частотных диапазонах. Например, радиопоглощающие покрытия успешно применяются для улучшения радиотехнических характеристик антенных систем. Применение радиопоглощающих покрытий позволяет повысить помехозащищенность антенн, стабилизировать ширину диаграммы направленности антенн в широкой полосе частот, улучшить их поляризационные характеристики. Нанесение радиопоглощающих покрытий позволяет существенно снизить радиолокационную заметность авиационной, морской и наземной техники.

Нанесение радиопоглощающих (особенно многослойных) покрытий на крупногабаритные объекты является весьма сложной и трудоемкой процедурой, в процессе которой приходится решать задачи и технологического, и радиофизического характера. Если говорить о радиофизической составляющей технологии нанесения, то контроль радиопоглощающих покрытий осуществляется, как правило, непосредственно в процессе их нанесения. Кроме этого, радиофизический контроль необходим и после нанесения покрытий для оценки их качества в ходе эксплуатации изделия. В большинстве случаев наиболее информативным измеряемым параметром при проведении радиофизического контроля является частотная зависимость коэффициента отражения (КО) покрытия.

Не менее важной задачей является измерение коэффициента прохождения (КП) при изготовлении и эксплуатации радиопрозрачных укрытий (РПУ) и их элементов. Нарушение технологии изготовления элементов РПУ приводит к деградации характеристик всей радиотехнической системы.

На практике часто возникает ситуация, когда возможность проведения измерений в лабораторных условиях на стационарных стендах отсутствует. В этой связи для осуществления радиофизического контроля непосредственно на изделии необходимо иметь мобильный измерительный комплекс, который бы позволял измерять КО и КП непосредственно на объектах контроля при их создании и в процессе дальнейшей эксплуатации [2]. Как вариант, для этих целей необходим портативный измеритель, позволяющий оценивать соответствие параметров покрытия заданным техническим характеристикам. К такому измерителю предъявляется ряд требований: малые размеры и масса, возможность работы вне помещений, простота применения, невысокая стоимость, широкий динамический диапазон измерения КО и КП (не менее 40 дБ и 60 дБ), возможность проведения измерений в широкой полосе частот и др.

Измерители коэффициента отражения покрытий в портативном исполнении

Как правило, портативные измерители КО покрытий традиционно строятся на базе портативного векторного анализатора цепей (ВАЦ) иностранного производства (Anritsu, Rohde&Schwarz, KeySight) и соединенного с ним с помощью фазостабильного кабеля антенного зонда (рис. 1). Использование достаточно дорогого радиочастотного кабеля с высокой фазовой стабильностью диктуется необходимостью применения при обработке измеренных данных алгоритмов векторной компенсации влияния как самого кабеля, так и антенного зонда, отражения от которых сравнимы, а часто и превосходят по уровню отклик от самого покрытия.

Рис. 1. Структурная схема портативного измерителя КО покрытий в традиционном исполнении

Отметим основные недостатки традиционного решения. Во-первых, наличие соединительного кабеля длиной около 1,5 м между рефлектометром портативного ВАЦ и антенным зондом вносит дополнительные ослабления, что в итоге приводит к уменьшению динамического диапазона измерений КО на 3—6 дБ в зависимости от частоты.

Во-вторых, кабель в процессе работы постоянно подвергается изгибам и влиянию окружающей среды, что отрицательно сказывается на его фазовой стабильности. В связи с этим становится невозможным применение алгоритмов векторной компенсации при обработке измерительной информации. По сути, в данном техническом решении кабель является достаточно дорогим расходным материалом и при интенсивной эксплуатации служит не более месяца.

В-третьих, при калибровке и измерениях КО покрытий используются достаточно сложные алгоритмы обработки получаемой информации, такие как: векторное вычитание, использование алгоритмов цифровой фильтрации сигнала (например, Time Domain). Реализация этих алгоритмов средствами пользовательского интерфейса ВАЦ без использования внешнего компьютера приводит к сложной последовательности интерфейсных команд и требует от оператора высокой квалификации, глубокого понимания процесса калибровки и измерений.

Немаловажным фактором является также достаточно высокая цена портативных ВАЦ зарубежного производства.

В качестве альтернативы традиционному решению предлагается перспективный портативный измеритель КО покрытий, структурная схема которого представлена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема мобильного комплекса для измерений в режиме КО:

1 – планшетный компьютер; 2 – USB интерфейсный кабель; 3 – рефлектометр типа CABAN R180; 4 – антенный зонд; 5 – исследуемый образец; 6 – металлическая подложка (опционально)

В основе схемы лежит компактный рефлектометр, который механическим образом без СВЧ-кабелей подключается к антенному зонду. Для управления измерительным комплексом, для отображения и экспресс-обработки информации используется защищенный планшетный компьютер, который через USB-интерфейс подключается к рефлектометру.

Рис. 3. Портативный измеритель КО на базе рефлектометра и рупорных антенн

Предлагаемая реализация свободна от всех вышеперечисленных недостатков традиционного решения. Отсутствие радиочастотного фазостабильного кабеля в измерительной схеме расширяет динамический диапазон измерений. Жесткое механическое соединение рефлектометра непосредственно к антенному зонду устраняет проблему фазовой нестабильности кабеля. Использование компьютера в исполнении для жестких условий эксплуатации позволяет реализовать удобный пользовательский интерфейс. При этом немаловажным фактором является то, что цена перспективного решения существенно ниже традиционного вследствие использования однопортового ВАЦ (рефлектометра) отечественного производства.

Следует отметить, что к антеннам, применяемым для измерения КО также предъявляются определенные требования. Одним из которых является требование хорошего согласования со свободным пространством (близости фронта излучаемой волны к плоскому), необходимости дополнительного подавления высших мод и переотражений между исследуемым образцом и антенной. Все это обуславливает необходимость доработки классических рупорных антенн [3].

Проведение сравнительных измерений коэффициента отражения и анализ полученных результатов

В целях сравнения традиционного и перспективного технических решений были проведены экспериментальные исследования – измерения КО на металлической подложке нескольких образцов материалов и покрытий. Традиционный портативный измеритель КО покрытий был реализован на базе векторного анализатора цепей Anritsu MS2028C [4] (5 кГц…20 ГГц) и модифицированной рупорной антенны (зонда) Х - диапазона длин волн. Перспективный измеритель КО состоял из рефлектометра R140 (85 МГц…14 ГГц) [5], портативного компьютера (планшета) и той же рупорной антенны. Частотный диапазон измерений ограничивался волноводным входом рупора и коаксиально-волноводным переходом (КВП) с рабочим сечением волновода 23×10 мм. Фактически измерения КО образцов покрытий проводились в диапазоне частот от 7,5 до 12,5 ГГц.

Помимо сравнения результатов измерений КО покрытий двумя вышеуказанными методами были также проведены измерения КО образцов радиопоглощающих материалов и покрытий с помощью стационарного измерительного стенда для измерений параметров материалов и покрытий в свободном пространстве с нормированными метрологическими характеристиками [6]. Результаты измерений, полученные на данном стенде, принимались за эталонные показатели при проведении сравнительного анализа.

На рис. 4 представлена принципиальная схема измерительного стенда, реализованного на базе векторного анализатора цепей ZVA40 производства компании Rohde&Schwarz и рупорных линзовых антенн. При проведении измерений исследуемые образцы помещаются в окно диафрагмы, расположенной в ближней зоне рупорных антенн, как показано на рис. 5. В процессе измерения коэффициента отражения в зоне за диафрагмой устанавливается согласованная нагрузка – пирамидальный радиопоглощающий блок с низким коэффициентом отражения в рабочей полосе частот (не выше минус 50 дБ), который необходим для исключения дополнительных паразитных переотражений от окружающего пространства. С целью устранения влияния переотражений между измеряемым образцом и рупорными антеннами используются методы цифровой обработки сигнала – временная селекция мешающих отражений (Time Domain) с подавлением эффекта Гиббса [6].

1 – персональный компьютер;
2 – векторный анализатор цепей R&S ZVA40;
3—6 – рупорная линзовая антенна;
7, 8 – пирамидальный радиопоглощающий блок;
9, 10 – металлическая диафрагма с нанесенным на нее радиопоглощающим покрытием;
11 – исследуемый образец;
12 – датчик угла или температуры;
13 – аналого-цифровой преобразователь;
14 – рубидиевый стандарт частоты.

Рис. 4. Принципиальная схема стационарного измерительного стенда.

Рис. 5. Внешний вид стационарного стенда

На рис. 6—8 представлены измеренные тремя вышеназванными способами частотные зависимости КО образцов полимерных радиопоглощающих покрытий, нанесенных на металлические подложки размером 200×200 мм.

Рис. 6. Частотные зависимости КО на металлической подложке образца радиопоглощающего покрытия №1, измеренные разными способами.

Рис. 7. Частотные зависимости КО на металлической подложке образца радиопоглощающего покрытия №2, измеренные разными способами.

Рис. 8. Частотные зависимости КО на металлической подложке образца радиопоглощающего покрытия №3, измеренные разными способами.

Из частотных зависимостей, представленных на рис. 6—8, видно, что портативный измеритель КО покрытий          на базе рефлектометра имеет несколько более широкий частотный диапазон, чем рабочий диапазон частот КВП. Отсутствие ослабления в соединительном кабеле позволяет проводить измерения за границами полосы пропускания КВП. В то же время портативный измеритель КО покрытий в традиционном исполнении на базе ВАЦ Anritsu MS2028C ограничен полосой пропускания КВП, что выражается в появлении довольно сильных осцилляций на краях диапазона в окрестности граничных частот 7,5 и 12,5 ГГц (загибы кривых 2, наблюдаемые на графиках).

Разброс измеренных значений КО образцов покрытий, полученных с помощью портативного измерителя на базе рефлектометра и путем измерений на стационарном стенде, который принимался при сравнительном анализе в качестве эталонного измерителя, находится в границах ±2 дБ при уровнях КО до минус 30 дБ. Расхождение в результатах измерений КО образцов, полученных различными способами, также связано с некоторой неоднородностью образцов радиопоглощающих покрытий, которая выражается в небольшой разнотолщинности слоев материала покрытий по поверхности образцов. Дополнительно следует отметить, что в стационарном стенде в качестве излучающего и принимающего устройства используется линзовая рупорная антенна с размером апертуры примерно 350×260 мм, которая при измерениях засвечивает всю поверхность образца. Таким образом, происходит измерение интегрального КО всего образца. Модифицированная рупорная антенна, применяемая в портативном измерителе КО, имеет небольшие размеры – раскрыв составляет около
100×60 мм, т.е. в данном случае при измерениях засвечивается не вся поверхность образца, а лишь определенная локальная зона.

На рис. 9 и 10 показаны измеренные различными способами частотные зависимости КО на металлической подложке образцов листового и пирамидального радиопоглощающих материалов на основе пенополиуретана.

Рис. 9. Частотные зависимости КО на металлической подложке образца листового радиопоглощающего материала, измеренные разными способами.

Рис. 10. Частотные зависимости КО на металлической подложке образца пирамидального радиопоглощающего материала, измеренные разными способами. 

Анализ частотных зависимостей КО образцов радиопоглощающих материалов, представленных на рис. 9 и 10, позволяет оценить динамический диапазон портативных измерителей КО в традиционном и перспективном исполнении, который составляет 40—50 дБ, что является достаточным для большинства практических применений. 

Проведение измерений коэффициента прохождения и анализ полученных результатов

При наличии двух рефлектометров появляется возможность измерения модуля коэффициента передачи радиопрозрачных материалов. Информация о фазе КП в этом случае отсутствует из-за технической невозможности синхронизировать измерительный приемник приемного рефлектометра и опорный приемник передающего рефлектометра. Однако даже в этом случае верхняя граница динамического диапазона измерения КП может достигать 94 – 120 дБ в зависимости от выбранного рефлектометра и частоты измерения при полосе пропускания приемника 100Гц [7]. Отсутствие фазовой информации исключает применение полноценной калибровки, методов временного анализа (Time Domain) для выделения полезного сигнала (самый короткий путь распространения сигнала: передающая антенна-материал-приемная антенна) и подавления паразитных сигналов переотражений между исследуемым образцом и антенными зондами, что приводит к погрешностям измерения и пульсациям на частотных зависимостях модуля КП.

Структурная схема мобильного измерителя КП и его внешний вид показаны на рис. 11 и 12.

Рис. 11. Структурная схема мобильного комплекса для измерения КП:

1 – рефлектометр типа CABAN R180, 2 – антенный зонд; 3 – исследуемый образец; 4 – USB интерфейсный кабель; 5 – USB концентратор; 6 – планшетный компьютер

Рис. 12. Внешний вид мобильного комплекса в режиме измерения КП

Далее рассмотрим результаты измерений КП, полученные с помощью мобильного измерительного комплекса. На рисунках 13 и 14 представлены измеренные частотные зависимости КП плоских образцов материалов габаритными размерами 200×200 мм, обладающих различными электродинамическими параметрами.

Результат измерения КП углепластика (рис.14 б)), обладающего высокими радиоотражающими свойствами, подтверждает высокую динамику измерения коэффициента передачи.

Расхождение результатов измерений мобильного и стационарного комплексов составляют ±0,1 дБ при измеряемых уровнях КП до 1 дБ и в пределах ±0,2 дБ при измеряемых уровнях КП до 6 дБ. Полученной точности и динамического диапазона измерений вполне хватает проведения радиофизического контроля качества изготовления различных радиопрозрачных изделий радиотехнического назначения.

Стоит также упомянуть об еще одном неявном преимуществе реализации измерителя КП на основе рефлектометров – это возможность пространственного разнесения точки измерения (например, на поверхности РПУ) и управляющего компьютера. Это можно сделать при помощи стандартных преобразователей интерфейсов USB-LAN-USB или USB – оптика – USB. Использование традиционного векторного анализатора цепей потребует применения длинных СВЧ кабельных линий со значительным ослаблением. 

Использование широкополосной антенны для измерений коэффициента отражения

Применение согласованных рупорных антенн является техническим решением, проверенным многолетней практикой радиоизмерений, которое позволяет добиться хороших измерительных результатов. Его большая электрическая длина дает возможность во временной области выполнить стробирование рабочей плоскости измерения (раскрыв антенны – исследуемый образец). Однако для перекрытия частотного диапазона 2,6—18 ГГц необходимо использовать 5 рупорных антенн, возбуждаемых КВП со стандартными волноводными сечениями. При расширении верхней границы частотного диапазона до 37,5 ГГц потребуется уже 7 рупорных антенн.

Этот факт обуславливает большую трудоемкость широкополосных измерений и трудности при «сшивании» частотных зависимостей, полученных в перекрывающихся поддиапазонах, в результирующую кривую во всем исследуемом диапазоне частот.

Для решения этой проблемы была разработана и опробована специальным образом доработанная широкополосная антенна, функционирующая в диапазоне частот 2—18 ГГц. Внешний вид мобильного комплекса с этой антенной показана на рисунке 15.

Рис.15. Измерение КО многослойного покрытия на металлической подложке с использованием широкополосной антенны

Единственным структурным отличием этого измерителя от рассмотренного ранее является использование жесткого (полужесткого) фазостабильного СВЧ кабеля для соединения антенны и векторного рефлектометра. Это решение обеспечивает надежное механическое крепление рефлектометра к задней стенке антенны при сохранении фазовой стабильности СВЧ тракта.

На рисунках 16 и 17 представлены сравнительные результаты измерений КО образцов, полученных с использованием широкополосной антенны, набора из 5 рупорных антенн и стационарного измерительного стенда.

Анализ результатов показывает хорошее совпадение измеренных частотных зависимостей КО с опорными значениями, полученными на стационарном стенде. Отклонения находятся в границах ±1 дБ при измеряемых уровнях КО до минус 25 дБ. Таким образом, предлагаемая модификация мобильного комплекса с широкополосной антенной представляется перспективным техническим решением.

Заключение

В работе рассмотрены несколько конструкций мобильного измерителя коэффициента передачи и отражения в диапазоне частот от 2 до 18 ГГц, отличающихся измерительными приборами и типом используемых антенн. Показаны преимущества измерителей, реализованных на базе рефлектометров под управлением защищенного планшетного компьютера.

Проведены сравнительные измерения частотных зависимостей КП и КО различных образцов материалов и покрытий, полученных с помощью рефлектометров R140 и R180 производства компании ПЛАНАР и аттестованного стационарного стенда, обладающего нормированными метрологическими характеристиками.

Анализ результатов измерений показывает, что реализация измерителя с использованием рефлектометра является удобным и надежным решением, достаточным для большинства практических применений.

Список литературы

1. К.М. Басков, Н.И. Бобков, И.И. Краснолобов, В.Н. Семененко. Математическое моделирование сверхширокополосной многолучевой зеркальной антенны // Журнал радиоэлектроники, 2013, № 4, с. 1—18.

2. John W. Schultz, et al. Ruggedized Compact Microwave Probes for Mapping Material Properties of Structures. 14^th Int. Symposium on Nondestructive Characterization of Materials (NDCM 2015), 2015, Marina Del Rey, CA, USA.

3. К.М. Басков, Д.Е. Данилов, А.А.Политико, С.Е. Просыпкин, А.А. Рогозин, В.Н. Семененко, В.А. Чистяев. Портативный измеритель коэффициента отражения покрытий СВЧ-диапазона // Радиотехника и электроника, 2020, том 65, № 10, с. 939–950.

4. https://www.anritsu.com/ru-RU/test-measurement/rf-microwave/vector-network-analyzers

5. https://coppermountaintech.com/50-ohm-vnas/

6. V.N. Semenenko, V.A. Chistyaev, A.A. Politiko and K.M. Baskov. Ultrawide measurement bench for measuring electromagnetic properties of materials in free space in a microwave range. Meas. Tech., vol. 2, 2019, pp. 55—59.

7. Рефлектометры векторные. Руководство по эксплуатации (часть 1). Технические характеристики (РЭ 6687-134-21477812-2017).

ООО «Оборудование и электроника», г. Мытищи, Россия (equipment.and.electronics@gmail.com)