ВЛИЯНИЕ АГРЕССИВНЫХ СРЕД НА ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УКРЫТИЙ РАДАРОВ

ВЛИЯНИЕ АГРЕССИВНЫХ СРЕД НА ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УКРЫТИЙ РАДАРОВ

Князев Николай Сергеевич

канд. техн. наук, заведующий лабораторией, лаборатория электромагнитной совместимости, Центр коллективного пользования Уральского федерального университета,

РФ, г. Екатеринбург

Малкин Александр Иванович

мл. науч. сотр., департамент радиоэлектроники и связи ИРИТ-РТФ, Уральский федеральный университет,

РФ, г. Екатеринбург

Чечеткин Виктор Алексеевич

мл. науч. сотр., департамент радиоэлектроники и связи ИРИТ-РТФ, Уральский федеральный университет,

РФ, г. Екатеринбург

Коротков Алексей Николаевич

мл. науч. сотр., департамент радиоэлектроники и связи ИРИТ-РТФ, Уральский федеральный университет,

РФ, г. Екатеринбург

Андреев Владимир Сергеевич

ст. науч. сотр., кафедра экспериментальной физики ФТИ, Уральский федеральный университет,

РФ, г. Екатеринбург

THE IMPACT OF THE CORROSIVE MEDIA ON THE ELECTRODYNAMIC CHARACTERISTICS OF RADAR SHELTER

Nikolay Knyazev

Candidate of Sciences, Head of Laboratory, Laboratory of Electromagnetic Capability Assistant Professor, Faculty of Radio Electronics and Communications, Ural Federal University,

Russia, Yekaterinburg

Alexander Malkin

Junior Researcher, Faculty of Radio Electronics and Communications, Ural Federal University,

Russia, Yekaterinburg

Viktor Chechetkin

Junior Researcher, Faculty of Radio Electronics and Communications Senior Lecturer, Faculty of Radio Electronics and Communications, Ural Federal University,

Russia, Yekaterinburg

Alexey Korotkov

Senior Lecturer, Faculty of Radio Electronics and Communications

Junior Researcher, Faculty of Radio Electronics and Communications, Ural Federal University,

Russia, Yekaterinburg

Vladimir Andreev

Candidate of Sciences, Senior Researcher, Department of Experimental Physics, Ural Federal University,

Russia, Yekaterinburg

АННОТАЦИЯ

Радиоэлектронные изделия должны сохранять работоспособность при воздействии различных внешних факторов, так как они часто сталкиваются с агрессивной внешней средой. По этой причине, при проектировании необходимо учитывать не только электромагнитную среду или температуру, при которой устройство должно работать, а также внешние факторы среды, в которой предполагается работа устройства. Внешняя среда может влиять не только на механические, но и на электродинамические параметры диэлектрических материалов, используемых в качестве корпусов для радиоустройств, в том числе радаров диапазона 77 ГГц. В статье рассматривается подход к анализу электродинамических параметров материалов с использованием существующего метода линий электропередачи с использованием математической модели Николсона-Росс-Вейра (Метод NRW). S-параметры исследуемого материала были измерены в частотном диапазоне стандарта волновода WR62 от 12 до 15 ГГц. Приведены результаты измерения действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости материала после воздействия паров бензино-масляной смеси и биомассы. Полученные экспериментальные зависимости позволяют учесть возможные изменения электродинамических характеристик материалов еще на этапе проектирования устройства

ABSTRACT

Electronic devices must be able to remain functional when exposed to various external factors. Therefore, when designing, it is necessary to consider not only the electromagnetic environment or the temperature at which the device is supposed to work. It is also necessary to consider the effect of external mechanical factors such as dirt, for example. The external environment can affect not only the mechanical, but also the electrodynamic parameters of dielectric materials used as housing for radio devices. The paper considers an approach for analyzing the electrodynamic parameters of materials using the existing transmission line method using the Nicolson-Ross-Weir mathematical model. The S-parameters of the material under test were measured in the frequency range of the WR62 waveguide standard from 12 to 15 GHz. The results of measuring the real and imaginary parts of the dielectric constant of the material after exposure to vapors of the petrol-oil mixture and biomass are presented. The obtained experimental dependencies allow considering possible changes in the electrodynamic characteristics of materials at the design stage of the device.

Ключевые слова: стеклопластики, измерение диэлектрической проницаемости, электродинамические параметры, агрессивные среды, метод линий электропередачи

Keywords: glass-filled plastics, permittivity measurement, electrodynamic parameters, corrosive media, transmission line method

ВВЕДЕНИЕ

Диэлектрические материалы - важный элемент высокочастотных систем. Их электродинамические характеристики существенно влияют на параметры всего устройства [1–4]. Большинство исследований, посвященных проблеме изменения комплексной диэлектрической проницаемости под действием внешних факторов, рассматривают изменение температуры и ультрафиолетовое излучение [5–11]. Помимо этих эффектов, важно также учитывать влияние тех химически агрессивных сред, с которыми разработанное устройство может взаимодействовать в процессе своей работы [12]. Целью данной статьи является исследование изменения комплексной диэлектрической проницаемости материала при воздействии на его поверхность химически агрессивных сред. Тестируемый материал представлял собой стеклонаполненный термостабилизированный полибутилентерефталат, который использовался для изготовления радиопрозрачного укрытия автомобильного радара миллиметрового диапазона. Анализ поведения этого материала при воздействии химически агрессивных сред имеет большое значение, поскольку автомобильные радары становятся все более важным компонентом в обеспечении безопасности дорожного движения. Учет изменения электродинамических параметров материалов, используемых при изготовлении радара, позволит повысить надежность и точность используемых радиолокационных систем. Для автомобильных радаров наиболее частым и длительным воздействием химически агрессивных сред являются пары бензино-масляной смеси и биомассы (свежескошенная трава фракцией 1–30 мм). Для экспериментального исследования образцы выдерживались в парах бензино-масляной смеси в течение 7 дней и в биомассе в течение 28 дней с последующей механической очисткой поверхности и ополаскиванием проточной водой.

МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ

Электродинамические характеристики образцов получены экспериментально с помощью измерительной системы, разработанной в Уральском федеральном университете [13–15]. Метод измерения линии передачи позволяет исследовать электродинамические характеристики материала в широком диапазоне частот с произвольным шагом по частоте [16–17]. Резонансный метод [18–21] имеет наименьшую достижимую ошибку измерения проницаемости, но в то же время измеряет значения только в фиксированных частотных точках. Этот недостаток существенно затрудняет использование полученных комплексных значений диэлектрической проницаемости при моделировании устройств и элементов на основе исследуемого материала.

На рисунке 1 показаны преобладающие частотно-зависимые типы взаимодействий в материалах, определяющие их диэлектрическую проницаемость [22]. В выбранном для исследования диапазоне частот основным механизмом, определяющим диэлектрическую проницаемость, является дипольное взаимодействие. Таким образом, используемая математическая модель будет иметь линейную зависимость от частоты.

Рисунок 1. Диэлектрическая дисперсия для различных типов поляризации [22]

В [23] показана возможность исследования электродинамических характеристик радиопрозрачных материалов на частотах ниже рабочих с дальнейшей интерполяцией полученных результатов в более высокий частотный диапазон. Такой подход применим только в том случае, если спектральные характеристики диэлектрической проницаемости линейны. Для экспериментальных измерений использовалась линия передачи на основе прямоугольного волновода. Дополнительная оснастка для волноводов стандарта WR62 позволяет проводить измерения в диапазоне частот от 12 до 15 ГГц. Размеры образца материала должны соответствовать размеру поперечного сечения волновода. Для эксперимента был изготовлен образец материала размером 16x8x2,1 мм.

Измерительная установка состояла из двух коаксиальных и волноводных адаптеров, держателя образца и векторного анализатора цепей (ВАЦ) R&S ZVA50 (рисунок 2).

Рисунок. 2. Система измерения

Для исправления систематической ошибки измерительной системы была произведена ее калибровка. После калибровки был измерен пустой держатель образца (получены комплексные значения диэлектрической проницаемости и проницаемости воздуха, так как они могут быть использованы в качестве эталона) [24]. Пересчет измеренных значений матрицы S-параметров в значения диэлектрической проницаемости и магнитной проницаемости производился с использованием математической модели Николсона-Росса-Вейра [25–27].

Эта математическая модель позволяет рассчитать комплексную диэлектрическую проницаемость, используя в качестве входных данных измеренные коэффициенты матрицы рассеяния образца, помещенного в используемую линию передачи. Одним из основных источников погрешности измерения при использовании метода линии передачи является несовпадение толщин держателя и измеряемого образца. Для минимизации этой составляющей погрешности измерения плоскость отсчета после калибровки смещается непосредственно к поверхности исследуемого образца за счет отделения дополнительного слоя без диэлектрического заполнения. Толщина такого слоя определяется разницей толщины держателя и образца по формуле:

где  - постоянная распространения в держателе волновода без образца.

Рисунок 3. Расположение исследуемого образца в держателе

Наличие воздушных зазоров между поверхностью образца и стенками используемого держателя волновода также повлияет на результат измерения, но, как показано в [28], эта составляющая погрешности является наименьшей и не превышает 0,1% в общем измерении. Мощность сигнала ВАЦ составляла ^10-4 Вт.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

После выдерживания образцов в нефтесодержащем растворе и биомассе их промывали проточной водой и сушили при температуре 25 ° C. Измеренная толщина исследуемых образцов представлена в таблице 1.

Таблица 1.

Измеренные параметры исследуемых образцов

Таким образом видно, что исследуемые образцы имели геометрические размеры, соответствующие поперечному сечению используемых волноводных эталонов. На рис. 4 представлена частотная зависимость действительной части диэлектрической проницаемости исследуемых образцов.

Рисунок 4. Частотная зависимость действительной части диэлектрической проницаемости исследуемых образцов

Полученные данные показывают, что воздействие химически агрессивной среды влияет на значение действительной части диэлектрической проницаемости. Нахождение образцов в бензиново-масляной смеси уменьшало значение диэлектрической проницаемости на 3,8% относительно исходной. Воздействие биомассы привело к еще большему снижению диэлектрической проницаемости, вплоть до 7,5%. Уменьшение реальной части диэлектрической проницаемости может исказить параметры антенной системы проектируемой РЛС. Следовательно, измеренные значения должны рассматриваться как поправочные коэффициенты.

Мнимая часть диэлектрической проницаемости при воздействии смеси бензин-масло и биомассы также уменьшается (рисунок 5). Это изменение не будет иметь негативных последствий для разрабатываемой РЛС и им можно пренебречь.

В ходе исследования получены экспериментальные данные электродинамических характеристик диэлектрических материалов при воздействии химически агрессивных сред. Основным переменным параметром, который будет влиять на работу разработанного радара, является действительная часть диэлектрической проницаемости. Изменения диэлектрической проницаемости в зависимости от среды оказались значительными и достигли значений порядка 7,5% от исходного значения. Таким образом, необходимо контролировать параметры материалов в реальных условиях эксплуатации, чтобы скорректировать параметры разрабатываемой системы и снизить влияние деградации исходных характеристик разрабатываемой РЛС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате исследований показано влияние паров бензино-масляной (нефтесодержащего раствора) смеси и биомассы на электродинамические характеристики стеклонаполненного термостабилизированного полибутилентерефталата. Измерения проводились в диапазоне частот 12–15 ГГц методом линий передачи. Применяемый метод измерения позволяет получать результаты в широкой полосе частот с произвольным шагом по частоте. Это дает возможность использовать полученные экспериментальные данные как в процессе разработки, так и для корректировки работоспособности устройства в процессе эксплуатации.

Эти результаты позволяют сделать вывод о том, что исследование влияния внешней среды на параметры диэлектрических материалов, используемых в устройствах, является важной частью проектирования радиоэлектронных устройств, которые предполагают наружное размещение.

Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках соглашения № 075-11-2019-052 от 13.12.2019 с Научно-производственным объединением автоматики имени академика Н.А. Семихатова (АО «НПО автоматики») по комплексному проекту «Создание высокотехнологичного производства высокочастотного радара, предназначенного для использования в составе интеллектуальных систем помощи водителю, систем автоматического управления беспилотных транспортных средств и систем интеллектуального земледелия» при участии ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина» (ФГАОУ ВО «УрФУ») в части выполнения научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ.

Список литературы:

1. Xu W, Duan BY, Li P, Qiu Y, Zong Y. EM Performance Analysis of Radomes With Material Properties Errors. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2014; 13: 848–51.
2. F. Pfeiffer and E. M. Biebl, "Inductive Compensation of High-Permittivity Coatings on Automobile Long-Range Radar Radomes," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 57, no. 11, pp. 2627-2632, Nov. 2009, doi: 10.1109/TMTT.2009.2031931.
3. T. Bonfig, E. Körner and J. Barowski, "Material challenges in the integration of radar sensors behind painted polymer vehicle components," 2020 21st International Radar Symposium (IRS), 2020, pp. 339-342, doi: 10.23919/IRS48640.2020.9253951
4. F. Fitzek, Z. Abou-Chahine, R. H. Rasshofer and E. M. Biebl, "Automotive radome design - fishnet structure for 79 GHz," German Microwave Conference Digest of Papers, 2010, pp. 146-149.
5. Letertre T, Pouliguen P, Jegou C, Sabouroux P. Permittivity and permeability, frequency and Temperature Wideband measurement setup. In: 2018 IEEE Conference on Antenna Measurements Applications (CAMA). 2018. p. 1–4.
6. Colpitts BG. Temperature sensitivity of coaxial probe complex permittivity measurements: experimental approach. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1993 Feb;41(2):229–33.
7. Y. Zheng, S. Kumara, Y. V. Serdyuk and S. M. Gubanski, "Modifications of dielectric properties of polyamides induced by long-term exposure to corona," 2015 IEEE 11th International Conference on the Properties and Applications of Dielectric Materials (ICPADM), 2015, pp. 708-711, doi: 10.1109/ICPADM.2015.7295370.
8. R. L. Moore and A. MacDonald, "Permittivity of fiber polymer composites environmental effects: comparison of measurement and theory," International Symposium on Antennas and Propagation Society, Merging Technologies for the 90's, 1990, pp. 1204-1207 vol.3, doi: 10.1109/APS.1990.115328.
9. F. Ciuprina and L. Andrei, "Water and Heat Exposure Influence on Dielectric Response of LDPE-Al2O3 Nanocomposites," 2018 International Symposium on Fundamentals of Electrical Engineering (ISFEE), 2018, pp. 1-4, doi: 10.1109/ISFEE.2018.8742476.
10. L. Li, N. Bowler, M. R. Kessler and S. H. Yoon, "Dielectric response of PTFE and ETFE wiring insulation to thermal exposure," in IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 17, no. 4, pp. 1234-1241, August 2010, doi: 10.1109/TDEI.2010.5539695.
11. L. Li, N. Bowler, P. R. Hondred and M. R. Kessler, "Dielectric response of polyimide to thermal and saline degradation," 2010 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectic Phenomena, 2010, pp. 1-4, doi: 10.1109/CEIDP.2010.5724011.
12. R. Ding and N. Bowler, "Permittivity and electrical breakdown response of nylon 6 to chemical exposure," in IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 22, no. 2, pp. 1151-1160, April 2015, doi: 10.1109/TDEI.2015.7076817.
13.  N. S. Knyazev and A. I. Malkin, “Dielectric permittivity and permeability measurement system,” CEUR Workshop Proc., vol. 1814, pp. 45–51, 2017.
14.  A. Malkin, A. Korotkov, and S. Knyazev, “Measurement of Electrodynamic Parameters of Powder Materials,” in 2019 Ural Symposium on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology (USBEREIT), 2019, pp. 409–411, doi: 10.1109/USBEREIT.2019.8736608.
15. A. Khismatullina, I. Nekrasov, I. Beketov, A. Bagazeev, A. Malkin and N. Knyazev, "Microwave Electromagnetic and Absorbing Properties of Iron/Polymer Nanocomposites," 2019 Ural Symposium on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology (USBEREIT), 2019, pp. 481-484, doi: 10.1109/USBEREIT.2019.8736664.
16. Y. Wang, X. Shang, N. M. Ridler, T. Huang and W. Wu, "Characterization of Dielectric Materials at WR-15 Band (50–75 GHz) Using VNA-Based Technique," in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 69, no. 7, pp. 4930-4939, July 2020, doi: 10.1109/TIM.2019.2954010.
17. E.J.  Rothwell  et  al.   Analysis of the Nicolson-ross-weir method for characterizing the electromagnetic properties of engineered materials. Progress In Electromagnetics Re-search, 157:31–47, 2016
18. Humbert, W. R. and Scott Jr., W. R. (1997). “Measurement of the permittivity and loss tangent of dielectric sheets”, Microwave and Optical Technology Letters, 15 (6), 355–358.
19. C. Kim, L. Minz and S. Park, "Improved Measurement Method of Material Properties Using Continuous Cavity Perturbation Without Relocation," in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 69, no. 8, pp. 5702-5716, Aug. 2020, doi: 10.1109/TIM.2020.2966358.
20. T. Karpisz, B. Salski, P. Kopyt and J. Krupka, "Measurement of Dielectrics From 20 to 50 GHz With a Fabry–Pérot Open Resonator," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 67, no. 5, pp. 1901-1908, May 2019, doi: 10.1109/TMTT.2019.2905549.
21. H. Chao and T. Chang, "Wide-Range Permittivity Measurement With a Parametric-Dependent Cavity," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 66, no. 10, pp. 4641-4648, Oct. 2018, doi: 10.1109/TMTT.2018.2854178.
22. R. G. Geyer, “Dielectric Characterization and Reference Material, ” 124, 1990, National Institute of Standards and Technology, pp. 21
23. Knyazev NS, Malkin AI, Chechetkin VA. Determination of the Electrodynamic Characteristics of Glass-Filled Plastics in the Millimeter Frequency Range. Technical Physics Letters. 2021;47(3):253–5. (In print)
24. G. F. Engen and C. A. Hoer, “Thru-Reflect-Line: An Improved Technique for Calibrating the Dual Six-Port Automatic Network Analyzer,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 27, no. 12, pp. 987–993, Dec. 1979, doi: 10.1109/TMTT.1979.1129778.
25. A. M. Nicolson and G. F. Ross, “Measurement of the Intrinsic Properties of Materials by Time-Domain Techniques,” IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 19, no. 4, pp. 377–382, Nov. 1970, doi: 10.1109/TIM.1970.4313932.
26. W. B. Weir, “Automatic measurement of complex dielectric constant and permeability at microwave frequencies,” Proc. IEEE, vol. 62, no. 1, pp. 33–36, Jan. 1974, doi: 10.1109/PROC.1974.9382.
27. U. C. Hasar and J. J. Barroso, “Retrieval Approach for Determination of Forward and Backward Wave Impedances of Bianisotropic Metamaterials,” Prog. Electromagn. Res., vol. 112, pp. 109–124, 2011, doi: 10.2528/PIER10112303.
28. H. E. Bussey, "Measurement of RF properties of materials a survey," in Proceedings of the IEEE, vol. 55, no. 6, pp. 1046-1053, June 1967, doi: 10.1109/PROC.1967.5719.