Technique of compensation of the primary field in the tasks of radio wave media diagnostics by means of linear antennas.pdf Исследование влияния подстилающей среды на входной импеданс линейных антенн представляет интерес при проектировании и эксплуатации приземных антенн [1] и для разработки радиоволновых методов и средств дистанционной диагностики слабопроводящих сред и материалов [2, 3]. В данной работе исследуются изменения внесенного в линейную антенну импеданса ΔZ однородной и неоднородной средами. Геометрия задачи представлена на рис. 1, где линейная антенна А длиной 2l расположена на высоте h над горизонтальной поверхностью слоистой среды параллельно границам раздела. Среда состоит из трех слоев. Каждый слой характеризуется толщиной Ti и комплексной диэлектрической проницаемостью . Толщины первого Т2 и второго Т3 слоев конечны, третий слой - полупространство ( ). Для расчета изменений ΔZ от параметров контролируемых сред используется теоретическая модель авторов работы [3], где показана возможность контроля слоисто-неоднородных сред с помощью измеренного полного импеданса (Z+ΔZ) линейной антенны, размещенной над средой. При этом для получения устойчивых результатов с изменением глубины (Т2) расположения неоднородности (Т3) используют широкополосное зондирование [4, 5] и компенсацию первичного поля специальным расположением двух линейных антенн (приемной и передающей) [6]. Рис. 1. Схема к задаче об определении импеданса линейной антенны, расположенной над трехслойной средой Рис. 2. Схема измерительной установки Исследуем возможность контроля плоскослоистых сред измерением внесенного импеданса (ΔZ) в одну линейную антенну с использованием методологии компенсации первичного поля с помощью ферритового циркулятора. Расчет импеданса, внесенного в антенну однородным полупространством, проведем по формулам работы [3]. Особенностью данной задачи является то, что генератор СВЧ, измерительная антенна и детектор подключены к отдельным входам Y-образного ферритового циркулятора ФЦ, как на рис. 2, где ПРД - передатчик, ПРМ - приемник. В качестве модели искомой неоднородности берется воздушный слой конечной толщины (Т3 = 0.1 м) с диэлектрической проницаемостью = 1 - 0.001i. Рис. 4. Зависимость |ΔZ| от h для грунта средней влажности Рис. 3. Зависимость |ΔZ| от h для сухого грунта На рис. 3, 4 и 5 приведены зависимости для линейной антенны 2l = 0.448 м на частоте зондирования 300 МГц однородных грунтов различной влажности: сухие грунты - ; грунты средней влажности - ; влажные грунты - . Компенсация первичного поля осуществлялась с помощью ферритового циркулятора развязкой в пределах 22.3, 22.1 и 20.6 дБ соответственно для сухого грунта, грунта средней влажности и влажного. На рис. 3, 4 и 5 приняты следующие обозначения: кривая 1 - активная составляющая Re (ΔZ) комплексной величины внесенного импеданса; кривая 2 - мнимая величина внесенного импеданса Im (ΔZ); кривая 3 - модуль (ΔZ). Рис. 5. Зависимость |ΔZ| от h для влажного грунта Анализ графических зависимостей на рис. 3, 4 и 5 позволяет сделать вывод, что при компенсации активного сопротивления на высотах h, соответствующих минимуму полного сопротивления (Z+ΔZ) линейной антенны, получим скомпенсированный сигнал от однородной среды. Эти экстремальные высоты размещения антенны равны: для сухого грунта - 8 см, для грунта средней влажности - 6 см, для влажного грунта - 5 см. На рис. 6 приведены графические зависимости c указанной выше компенсацией для описанных однородных грунтов различной влажности. Рис. 6. Зависимости модуля внесенного ΔZ (с учетом компенсации) от высоты h На рис. 7, 8 и 9 приведены графические результаты расчетов вносимого | | в линейную антенну для трех типов описанных выше плоскослоистых грунтов в зависимости от глубины (Т2) расположения искомой неоднородности и режимов компенсации первичного поля с помощью ферритового циркулятора. Неоднородность представляет собой условную помеху - усредненное значение модуля полного сопротивления | | воздушной прослойки , толщиной Т3 = 1 см на глубине Т2 = 1 см. Вычисления проводились для расположения линейной антенны на высотах h = 8, 6 и 5 см, соответствующих минимальным значениям | | соответственно для сухого, средней влажности и влажного грунтов. При этом предполагалось, что Т4 - однородное полупространство с параметрами слоя Т2. На рис. 7 приведены графические зависимости полных сопротивлений при различных значениях развязки принимаемых сигналов относительно уровня условных помех для сухих грунтов . Кривая 1 соответствует случаю слабой компенсации первичного поля с помощью ферритового циркулятора - 5 дБ, кривая 2 - развязке по полю - 40 дБ и кривая 3 - среднему значению величины компенсации по полю - 22.3 дБ. При развязках по полю более 22.0 дБ измеряется фактически . Усредненные значения помех обозначены соответственно цифрами 4, 5, 6 на графике (прямыми линиями). Анализ графиков показывает, что все зависимости имеют осциллирующий характер относительно условной помехи - кривая 1 осциллирует относительно условной помехи 4 (прямая линия) и пересекает её. В окрестностях точек пересечения пропадает сигнал обнаружения неоднородности. С увеличением развязки по полю до 40 дБ измеряются фактически внесенный в антенну и осцилляции происходят без пересечения соответствующих прямых условных помех 5 и 6. Это означает, что с увеличением компенсации первичного поля на всех глубинах Т2 условная неоднородность Т3 будет обнаруживаться по измеренному значению | |. На рис. 8 представлены аналогичные характеристики для грунтов средней влажности . Кривая 1 соответствует слабой развязке по полю (5 дБ) и осциллирует относительно условной помехи (прямая линия 4) с амплитудой, большей, чем для сухого грунта, кривая 2 и условная помеха 5 - развязке циркулятора 40 дБ. Кривая 3 и прямая линия условной помехи соответствуют компенсации первичного поля (или активного сопротивления антенн на высоте h = 6 см), полученной ферритовым циркулятором развязкой 22.3 дБ. Анализ графиков показывает - кривые 2 и 3 проходят значительно выше соответствующих им условных помех 5 и 6, чем для сухих грунтов (рис. 7). Это означает, что, как и в случае сухих грунтов, с увеличением развязки по полю с помощью циркулятора увеличивается выявляемость контролируемой неоднородности на всех глуби¬нах Т2. Рис. 7. Зависимость |Z+ΔZ| от толщины слоя Т2 и уровня развязки для сухого грунта Рис. 8. Зависимость |Z+ΔZ| от толщины слоя Т2 и уровня развязки для грунта средней влажности На рис. 9 представлены характеристики для влажных грунтов . Как и в предыдущих случаях, представлен модуль полного сопротивления антенны с различными развязками по полю. Кривая 1 и усредненная прямая условных помех 4 соответствуют минимальной развязке 5 дБ ферритового циркулятора. Кривые 2, 3 и условные помехи 5, 6 соответствуют развязкам циркулятора 40 и 20.6 дБ. Как и в предыдущих случаях, кривые 2 и 3 (при значительных уровнях развязки) проходят значительно выше соответствующих им условных помех 5 и 6, что еще раз показывает - увеличение развязки принимаемых первичных сигналов улучшает выявляемость контролируемой неоднородности на всех рассматриваемых глубинах Т2. При этом увеличение влажности исследуемых грунтов увеличивает выявляемость неоднородностей за счет увеличение контраста по  и ограничивает глубину обнаружения за счет увеличения затухания зондирующего сигнала в среде. Рис. 9. Зависимость |Z+ΔZ| от толщины слоя Т2 и уровня развязки для влажного грунта В качестве основного результата работы можно сделать следующие выводы: 1. Минимум модуля полного сопротивления линейной антенны определяет оптимальную высоту расположения антенны и величину сопротивления, компенсирующего влияние однородного грунта различной влажности. 2. При слабой компенсации первичного поля с развязкой с помощью ферритового циркулятора 5 дБ сигналы от неоднородностей для плоскослоистых вмещающих сред любой влажности имеют осциллирующий характер относительно величины условной помехи, что затрудняет обнаружение неоднородностей. 3. При увеличении развязки с первичным полем с помощью ферритового циркулятора (20- 40 дБ) измеряется внесенное в антенну добавочное сопротивление за счет однородной среды и неоднородностей в ней. Сигналы от неоднородности в зависимости от глубины расположения имеют осциллирующий монотонно затухающий характер и превышают по амплитуде уровень условных помех на всех глубинах и для всех типов вмещающих грунтов.

Скачать электронную версию публикации