ЧАСТОТНАЯ СЕЛЕКЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ШЕРОХОВАТЫМ ЗЕРКАЛОМ

April 1, 2012 by admin Комментировать »

Воробйов Р. В., Бутакова С. В. Харьковский институт ВВС Украины а/я 10744, 61140, Харьков, Украина Тел.: (0572) 272409, e-mail: svetvik@ukr.net, vorbut@ukr.net

Аннотация – Рассмотрена физическая основа частотной селекции электромагнитного излучения, отраженного от шероховатой металлической поверхности. Получено совпадение экспериментальных и расчётных данных о спектральных свойствах зеркала миллиметровой антенны в ИК диапазоне.

I.    Введение

В работе [1] рассмотрены области применения антенн миллиметрового (ММ) диапазона, принимающих инфракрасное (ИК) излучение, и механизм приема ИК излучения миллиметровой антенной. В [2, 3] разработан электродинамический критерий гладкости металлической поверхности, позволяющий изготовить зеркало ММ диапазона, рассеивающее ИК излучение.

Целью данной работы является выявление связи параметров металлической поверхности с её свойствами частотной селекции отраженного электромагнитного излучения.

II.    Основная часть

При механической обработке на металлической поверхности получаются неоднородности, которые можно аппроксимировать набором среднестатистических V-образных канавок [4]. Падающее на поверхность электромагнитное поле рассматриваем в виде квантово-механических волновых пакетов («биллиардных шаров»), в которых локализована порция энергии распространяющейся волны [5]. Принимаем размер области локализации электромагнитного поля – радиус корреляции [6]

Рассмотрим три случая взаимодействия квантов энергии с V-образными канавками различной глубины (рис. 1). На рис. 1а ширина!) и глубинаL канавки существенно превышают 2рь Кванты энергии целиком проникают в полость канавки, в области 1 до глубины L„.„ существует распространяющаяся волна. Часть энергии проникает в область 2 и возбуждает апериодическое затухающее поле. В областях 2 и 3 (общая глубина L„.„) мощность поля быстро убывает по мере приближения к дну канавки.

По аналогии с теорией скин-эффекта в неидеальных проводниках мощность, распределённую неравномерно по глубине, заменим равномерно распределённой мощностью, сосредоточенной в области 2, при полном отсутствии поля в области 3, глубина которой Lsm. На границе между областями 2 и 3 неравномерно распределённая мощность падает в А/ раз. Поскольку изменение амплитуды поля в полости канавки происходит по экспоненциальному закону с переменным показателем (переменный коэффициент распространения), величина 1/А/ отличается от принятого в теории скин-эффекта значения е~2.

Взаимодействие поля со стенками канавки заканчивается в области 2, где сосредоточена вся энергия, прошедшая через границу областей 1 и 2. На границе областей 2 и 3 поле испытывает отражение, возникает обратная волна. Возможность переноса активной мощности прямой и обратной затухающими волнами показана Вайнштейном [7].

На рис. 16 ширина канавки Dcrit ^ 2ph Эта канавка имеет только области 2 и 3.

На рис. 1в шаг Dsm и (или) глубина канавки существенно меньше 2рь Поверхность, покрытая такими канавками, будет гладкой {Dsm«l; L„„<4).

на шероховатую поверхность.

Fig. 1. An electromagnetic wave incidence on a rough surface

Покажем возможности предложенной модели расчета. В работе [8] измерены спектральные коэффициенты отражения молибдена на длинах волн 1= 1н-5 цт. Систематическая составляющая профиля 2-го класса и размеры канавки в микрометрах (цт) даны на рис. 2.       

Рис. 2. Профиль шероховатости 2-го класса [8]. Fig. 2. Roughness profile of2-d class investigated in [8]

Для той же шероховатости 2 класса фотографическим методом получено распределение локального спектрального коэффициента черноты (со средним значением еЛ=0,5) по ширине канавки при температуре 1605°С (средняя длина волны/1 =0,65 цт). Величина ех*\ свидетельствует о наличии дополнительной мелкой шероховатости, обусловленной деформацией материала, колебаниями и шероховатостью инструмента, т. е. связанной с кинематикой перемещения инструмента и потому также представляющей собой канавки с V-образным профилем. Мелкая шероховатость накладывается на крупную и существенно влияет на степень черноты в видимом и ИК диапазоне. По величине ел и профилю крупной шероховатости определим геометрические параметры эквивалентной (расположенной на плоской поверхности) мелкой шероховатости. Коэффициент гладкости А для неполяризованного излучения [9]

где 4aige= ^sh – коэффициенты гладкости крупной и мелкох шероховатостей, ,4large =ad/abcd= 0,941 (рис. 2);

‘•=15810"5а5                                           (3)

–    отражательная способность гладкой поверхности металла по закону Видемана-Франца, примененному к формуле Хагена-Рубенса [10], г =0,735; (/1=0,65 цт, Г=1878 К, <5=138 W/m-K для молибдена, ).

Из (2) вычисляем ,4Sh=0,383. По значению ,4Sh определяем геометрические параметры эквивалентной мелкой шероховатости для неполяризованного излучения. Для этого выбраны углы в интервале /?=10°н-20° и вычислена глубина канавки L такая, чтобы получить значение ,4Sh=0,383 (L=0,71h-1,25 |im) по

формулам j _ 2гАЕАн + {1~г\аен ),                                       (4)

гЦен)+2{1-г)

R=(Re+Rh)/2 [10], rhe= п4нм [11], (5) – \-}{\-Л)

где Reh, R – коэффициенты отражения от поверхности при падении Е, Н или неполяризованной волны, Аен – соответствующие коэффициенты гладкости, найденные в [2-3] на основе модели – рис. 1.

Для каждой пары значений (Д L) находили спектральный коэффициент черноты ea=\-R в интервале Я=0,5н-5 цт и сравнивали с экспериментальными данными [8]. Для мелкого V-образного профиля выбрана пара геометрических размеров L=0,705 цт и Р=\4°, которая дала совпадение с экспериментальными значениями в пределах погрешности эксперимента (не хуже 7%). См. рис. 3.

Рис. 3. Сравнение ел для молибдена: 1,2- эксперимент [8] и расчет; 3 – гладкая поверхность.

Fig. 3. Comparison of ел values: 1,2- experiment [8] and calculation; 3 – smooth surface

III.   Заключение

Параметры мелкой шероховатости были синтезированы по модели рис. 1 на основе экспериментальных данных. Коэффициенты черноты для A=0,5…5|im рассчитаны по той же модели и хорошо совпали с экспериментом. Поэтому можно считать, что разработанная методика оценки электродинамической гладкости поверхности металла подтверждена экспериментально.

IV.   Список литературы

[1]  Бутакова С. В., Воробйов Р. В. // Материалы 10-й конференции КрыМиКо [Севастополь, 11-15 сентября 2000 г.]. Севастополь: Вебер, 2000, с. 348-349.

[2]  Бутакова С. В., Воробйов Р. В. Материалы 12-й конференции КрыМиКо [Севастополь, 9-13 сентября 2002 г.]. Севастополь: Вебер, 2002, с. 317-318.

[3]  Бутакова С. В., Воробйов Р. В. Электродинамический критерий гладкости. Харьков: ХТУРЭ. Радиотехника, №124 (2002). С. 61-67.

[4] Попова О. P. II Теплофизика высоких температур. -1983. -Т.21, -№1. -С. 66-72.

[5] Лук-мл, Лоув // Теплообмен и тепловой режим космических аппаратов,- М.: Мир.-1974,- С.123-140.

[6] Бутаков К. А., Бутакова С. В. // Электромагн. волны и электронные системы. 2003, т.8, № 2. С. 35-54.

[7] Вайнштейн Л. А. Электромагнитные волны. М.: Радио и связь. – 1988. 440 с.

[8]    Хрусталёв     Б. А., Раков А. М. // Теплоперенос в одно- и двухфазных средах. – М.: Наука, 1971. – С. 126-135.

[9] Агабабов С. Г. // Вопросы лучистого теплообмена. – Краснодар: Изд-во Кубанского ун-та, 1977. -Вып.241.

[10]  Мучник Г. Ф„ Рубашов И. Б. Методы теории теплообмена. Тепловое излучение. М: Выс. шк., -1974. -272 с.

[11]  Агабабов С. Г. // Теплофизика высоких температур. – 1968. -Т.6, -№1. -С. 78-88.

FREQUENCY SELECTION OF ELECTROMAGNETIC WAVES BY ROUGH MIRROR

Vorobjov R. V., Butakova S. V.

Kharkov Institute of Air Force of Ukraine P.O. Box 10744, 61140, Kharkov, Ukraine Tel.: +380 0572 272409, e-mail: svetvik@ukr.net

Abstract – The physical basis of frequency selection is considered for electromagnetic waves, reflected by rough metal surface. The coincidence of experimental and calculated data on spectral properties of millimeter-wave antenna mirror in IR frequency band is obtained.

I.  Introduction

The physical mechanism of infra-red (IR) radiation reception by the millimeter wave antenna is considered in [1 ]. In [2, 3] the electrodynamic smoothness criterion for a metallic surface is obtained permitting to manufacture a mirror for millimeter wave frequency band operation also dissipating IR radiation. The purpose of this paper is to elicit the interdependences of metallic surface parameters and its frequency selection properties for reflected electromagnetic radiation.

II.  Main part

During the machine work the heterogeneities are appeared on a metal surface. They could be simulated as a set of statistically averaged V-grooves [4]. An electromagnetic field, incident on the surface, is considered to be as the quantum-mechanical wave packets («billiard-balls»), in which the propagating wave energy portions are localized [5]. We characterize the dimension of electromagnetic field localization area as correlation radius pi (1). Three cases of incident electromagnetic field interaction with a rough metal surface are illustrated in Fig.1. Fig. 1a corresponds to D>>2p, and L>>2p, when the energy quanta entirely penetrate into the groove and there is a propagating wave in area 1 up to depth Lcrit. The part of energy penetrates into area 2 and excites an aperiodically damping field. On the boundary between areas 2 and 3 the non-uniformly distributed power is M times less. Magnitude 1/M differs from value e-2 usually used in skin-effect theory. The power distributed non- uniformly along the depth is replaceable by the uniformly distributed power, concentrated in area 2 at full absence of a field in area 3 (depth Lsm)■ Factor of smoothness is A =ad/abcd. For rough surface of Fig. 2 the spectral distribution of local emissiv- ity (averaged ел=0,5) along groove width at the temperature of 1605°C is obtained by the photographic method (averaged 2=0,65 |xm). In terms of sA and a large roughness profile (Fig.2) the geometry of the equivalent shallow roughness and spectral dependence of £u=1-R is obtained for Я=0,5ч-5 цт (Fig. 3).

III.  Conclusion

The parameters of shallow roughness were synthesized with a model of Fig.1 on the basis of experimental data. The emissivity for A=0,5…5 цт calculated with the same model well coincides with the experiment value. So the method developed to estimate a metal surface electrodynamic smoothness may be considered as experimentally verified.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты