Ослабление СВЧ радиоволн в средах с микрочастицами твердого углерода тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

<<ь , -

о; . • РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

л 'V ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

ИШТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи

ЕРМАКОВ ВИТАЛИЙ БОРИСОВИЧ

ОСЛАБЛЕНИЕ СВЧ РАДИОВОЛН В СРЕДАХ С МИКРОЧАСТИЦАМИ ТВЕРДОГО УГЛЕРОДА

01.04.03 - Радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1993

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте радиотехники и электроники Российской Академии Наук.

Научный руководитель

кандидат физико-математических наук К.А.Аганбекян

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук Т.И.Арсеньян,

кандидат физико-математических наук Е.В.Коньков

Ведущая организация

Московский Государственный Технический Университет

Защита состоится "_£г_" огка'Ьря

1993 г. в

£0

оо

на

заседании Специализированного совета Д. 002-74- 02- при Ордена Трудового Красного Знамени Институте радиотехники и электроники Российской Академии Наук. по адресу :

103907 . Москва , ул. Моховая , 18 , конференц-зал ИРЭ РАН .

С диссертацией можно ознакомиться в библитеке ИРЭ РАН . Автореферат разослан " ^" ИОЯ^РЗ ¡993 г.

Ученый секретарь Специализированного совета

кандидат техшчэских кзук М.Г.Голубцо]

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена экспериментальному и теорети-ескому исследованию распространения ЭМ излучения в сильнопоглоща-щих аэрозольных образованиях и искусственных диэлектриках, содер-ащих малые, несферические включения из материала с умеренной вели-иной проводимости.

Актуальность темы.

Вопросам распространения СВЧ радиоволн в средах, содержащих эзличные рассеивающие и поглощающие частицы в настоящее время уде-зется значительное внимание в связи с необходимостью повышения здежности работы связных и локационных радиотехнических систем в 'благоприятных атмосферных условиях, -а также с целью создания вы-жоэффективных поглощающих материалов. В ряде исследований послед-ос лет указывается на существование заметных величин ослабления |Диоволн СМ и ММ диапазона в пылевом аэрозоле, в частности, при ¡личин в атмосфере взвешенных частиц твердого углерода (нитевидные опья сажи в выбросах ТЭЦ и нефтяных пожаров, угольная пыль в шах-х и карьерах). Экспериментальные и теоретические исследования лабления радиоволн атмосферными частицами посвящены в основном ществам, являющимся либо хорошими диэлектриками Свода, лед, дву-ись кремния), либо хорошими проводниками (металлические диполи), я веществ с промежуточными значениями проводимости (различные ви-графитов, полупроводниковые и тонкопленочные материалы) исследо-тая такого рода крайне немногочислен^. В части теории это связано трудностями расчета (особенно в резонансной области) рассеяния ЭМ тн на частицах сложной формы при наличии потерь. А при экспери-ггальных исследованиях необходимы специальные аппаратурные и ме-¡ические решения, связанные с получением однородных аэрозольных [ иных взвесей из таких частиц и с измерением больших величин ос->ления. В то же время именно аэрозольные и композитные' среды, со-'яшие из малых сильновытянутых частиц с конечной проводимостью ериала, обладают уникальными радиофизическими свойствами. На их ове можно получать искусственные среды, одновременно сильно пог-ающие и практически не отражающие в СВЧ диапазоне, то есть близ-

кие по параметрам к абсолютно черному телу,а также создавать искусственные диэлектрики с большим коэффициентом преломления.

Цель работы : экспериментальное и теоретическое исследовани< особенностей распространения СВЧ радиоволн в средах с микрочастица ми твердого углерода. Для этого требуется решить следующие задачи:

- на основе электромагнитной теории провести анализ поглощени и рассеяния радиоволн СМ и ММ диапазонов во взвесях малых, несфери ческих. проводящих частиц в широком диапазоне изменения продольны и поперечных размеров последних, а также величин электропроводност их материала;

- осуществить экспериментальные исследования для получени данных о величине и частотных свойствах ослабления СВЧ излучения искусственных аэрозолях и смесях с частицами указанного вида, частности, для сред на базе микроигл твердого углерода (графита),- сопоставить теоретические и экспериментальные результаты

оценить степень их соответствия друг другу.

Научная новизна. Новыми в настоящей работе являются: совоку: ность экспериментальных данных по распространению СВЧ радиоволн сильнопоглощающих аэрозольных и композитных средах с микрочастица1 углерода, полученная на специально созданном, радиофизическом ком: лексе, а также теоретическая модель, предложенная для их описания

Практическая ценность работы.

Экспериментальные и теоретические результаты по исследован ослабления СВЧ радиоволн в средах, содержащих микрочастицы твердо углерода, могут быть использованы при оценке потенциалов сист связи и локаши СМ и ММ диапазонов, работающих в условиях с вероя ным или постоянным наличием аэрозольных образований такого рода, также найти применение в решении задач дистанционного зондировав атмосферы и в приборах для экологического контроля промышлеш-: выбросов. Полученные в диссертационной работе данные могут служу методической основой опытно-конструкторских разработок по создав высокоэффективных поглощающих материалов и искусственных диэлектр ков с уникальными радиофизическими свойствами.

Положения, выносимые на защиту:

I. Получены экспериментальные данные о существовании значет льных, до 10 дБ/м, величин ослабления радиоволн СМ и ММ диапазо]

в атмосферном аэрозоле, состоящем из микрочастиц твердого углерода.

2. При многочастотном зондировании аэрозольных сред такого рода обнарукено, что для определенных параметров частиц аэрозоля на участке с длинами волн от 2 мм до 2 см практически полностью отсутствует зависимость величины ослабления от частоты ЗМ излучения.

3. Предложена теоретическая модель, учитывающая указанную особенность в ослаблении СВЧ радиоволн средами с умеренно проводящими шкрочастицами, которая позволила дать интерпретацию результатам Золыаого числа измерений, проведенных в условиях лабораторного экс-теримента, в специальной аэрозольной камере и на открытом атмосфер-гом полигоне.

4. Рассмотрено, на основе теоретической модели, поведение ос-габления, создаваемого умеренно проводящими микрочастицами в широ-

е

;ом диапазоне изменения их параметров и опредлены соотношения меяду юрмой, размера™ и свойствами материала частиц, при которых обес-:ечиваются наибольшие значения поглощения в СВЧ диапазоне.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на II Всесоюзном совещании по радиометеорологии (Москва, 1986 г.),на V Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Алла-Ата, 987 г. ), на III и IV Всесоюзных школах по распространению мм и убмм волн в атмосфере (Харьков, 1989 г. и Нижний Новгород, 1991), а Международной конференции по технологиям в ММ и дальнем Ж диз-□зонах (Китай, 1989).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 7 эчатных работах, перечисленных в конце автреферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введе-1Я, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена 5 130 страницах, включая 30 рисунков и 5 таблиц. Список литературы. :>держит ПО наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность решаемых задач, сформулиро-яа цель работы, кратко изложено содержание по разделам.

В первой главе дан обзор основных методов расчета, применяемых и описании рассеяния и поглощения ЗМ излучения средами, содержа-

ними несферические, умеренно проводящие частицы, а также приведень результаты зарубежных и отечественных работ по экспериментальному изучению распространения СВЧ радиоволн в такого рода средах и определению диэлектрических постоянных проводящих материалов (графит, углеволокно) в СМ и ММ диапазоне. Отмечено, что результаты расчетоЕ рассеяния при помощи различных, преимущественно -численных, методог даются авторам, как правило, в виде графиков или таблиц для отдельной длины волны или характеристики материала рассивателя. Пря этом чаще всего интересуются вопросами углового распределения рассеянного поля, в частности, величиной обратного радиолокационног< рассеяния. Представление о характере поведения ослабления в зависи мости от изменения длины волны и величины потерь в материале части по такого рода данным получить очень непросто. Поэтому для анализ; экспериментальных данных по исследованиям ослабления СВЧ радиовол в сильнопоглощающих средах необхдимо иметь относительно просту теоретическую модель, описывающую процесс рассеяния в широком диа пазоне длин волн, возможных размеров и форм частиц, а также характеристик их материала.

Глава 2 посвящена расчету ослабления СВЧ радиоволн сильнс вытянутыми частицами, состоящими из вещества с конечной величине проводимости. Для частиц с малым по отношению к длине волны прс дольньм размером (низкочастотная область) задача рассеяния решалас путем совместного использования теории диэлектрических постояша (модель Друде) и электростатического приближения. В случае длинш частиц (высокочастотная область) расчеты рассеяния производили« численным образом на основе решения Ми для бесконечного цилиндра, резонансной области получены выражения для характерного размера, ] котором происходит затухание отражений от концов частицы и пок; зано, что для достаточно вытянутых, умеренно проводящих част] такие отражения практически не сказываются на общей картине ра сеяния и. как следствие, указанные выше НЧ и ВЧ решения в данн области плавно, без резонансных выбросов переходят друг в друга.

В разделе 2.I рассмотрено взаимодействие ЭМ волн с частицам характерные размеры которых (г0Д0) много меньше длины волны.В о ношении таких частиц существует устоявшееся мнение о малости знач вдй их факторов эффективности, а также о слабом влиянии формы так

эстиц на общую величину ослабления. Можно показать, однако, что жая точка зрения справедлива лишь для частиц, форма которых при-тижена к сферической, а для заметно вытянутых частиц - только при гень малых или напротив - очень больших величинах показателя пре->мления частицы. В целом же оказывается, что среды, содержащие 1лые, иглообразные, проводящие частицы в пересчете на единицу мас-! могут рассматриваться как весьма эффективные поглотители с факсом Од^д. значительно большим единицы. Для анализа задачи рзс-яния в данном случае использовано квазистатическое приближение, и этом предполагается, что длина волны излучения много больше ксимального (продольного) размера частицы Я » 10 , а толщина ин-слоя значительно превышает ее поперечные размеры: аг » г0 . есь также нами использовано то, что, как показано в обзоре, еденном в первой главе, электромагнитные свойства большинства проводах материалов (сажа, графит, уголь, высокоомные сплавы) в радио-:тотном диапазоне обусловлены в основном наличием свободных носи-пей заряда (электронов) и могут быть описаны на основе теории ^де ( которую в свою очередь можно рассматривать, как частный гчай лоренцовской модели при исчезающе малой упругой связи) через ззменную частоту и релаксационный параметр у (у графита: Ьсо =

г г

34 эВ, Ьу =3-10 эВ ). В частности, для малой, несферической, :тицы, имеющей величину геометрического (деполяризашонного) фак-1а Ь, можно получить выражение для интегрального сечения поглоще-

I :

£ . V . й Ш /--Ш

саЪб= еш'~-:---

с

[ет.(1 - Ь).р + I- [р - со^г"2)]"+ 1г-Г

+ 1 , с - скорость света.

Г ш

обозначено X -- и р = —

ш • Т I 7

объем частицы . ш = - частота ЭМ излучения .

- диэлектрическая проницаемость среды. На основе такого рода за-

лмостей рассмотрено поведение поглощения и рассеяния в широком

тазоне изменения параметров (форма частицы, соотношение продоль-

5 и поперечного размеров, свойства материала), как для отдель-

частиц, так и для среды с случайно ориентированными рассеивате-

лями. Установлено, что: сечение ослабления (определяемое здесь преимущественно поглощением) имеет максимум относительно изменения проводимости С о = Шр / 7 • е0 ) материала частиц, величина и положение которого определяются степенью вытянутости частиц; частотна* зависимость ослабления носит насщающийся в сторону высоких частое характер, т.е. начиная с некоторой, зависящей от формы и проводимости частицы, длины волны Хнц ослабление ЭМ излучения перестает зависеть от частоты; уменьшение эффективности ослабления на длина:

_р

волн, превышающих ЯцЧ пропорционально Я . Б конце раздела краткс обсужден вопрос о возмогности существования поверхностных мод доданного типа рассеивателей и получены выражения, определяющие соот ношение параметров, при которых они реализуются.

Разел 2.2 посвящен рассмотрению области длин волн, для которо: выполняется соотношение X « 1С и следовательно для анализа погло ¡цения и рассеяния ЭМ волн здесь можно воспользоваться приближение бесконечного цилиндра (решение Ми), а также на основе этого решени получить приближенные выражения для случая тонких (г0 « Я.) частиц умеренной величиной проводимости иатерала ( бг £ г0 ). Численнь расчеты производились по специально разработанному алгоритму, котором реализован ряд мер обеспечивающих повышение точности надежности вычислений, в том числе: метод логарифмической производ ной для вычисления коэффициентов ряда рассеяния; сочетание прямой обратной рекурсий в расчетах цилиндрических функций; оценка требу< мого числа членов ряда и выбор начальных индексов рекурсии по эмга ричеким формулам; повышенная разрядность вычислений при арифметич< ских и тригонометрических операциях, в том числе и с комплексны числами. Проверка точности и правильности алгоритма производила путем сопоставления результатов тестовых расчетов и табулировали в работах других авторов. Во всех случаях результаты совпали с учетом всех сравниваемых десятичных знаков. Результаты расчетов д параметров рассеивающих частиц рассматриваемых в настоящей работ на базе указанного численного алгоритма, получены для области изм нения длин волн X - 1+100 мм и проводимости вещества б = ДО1 + 1 симМ при г0 = 3,5-10-6м. Они представлены в виде таблиц отдель для величин эффективности поглощения рассеяния 05С и ослабл ния , а также в виде трехмерных поверхностей ОС Я,6 ) и в В1

поперечных разрезов по отдельный аргументам , то есть 0(Я) и 3(6), наглядно демонстрирующих следующие особенности процесса рас-:еяния для данного класса частиц: сеченив ослабления, как и в низкочастотной области (раздел 2.1), имеет экстремум (максимум) относительно изменения величины проводимости материала частиц; частот-1ая зависимость поглощения также носит насыщающийся характер, но в »тличие от низкочастотного приближения, уже в сторону уменьшения встоты и начинается с некоторой характерной (граничной) длины олны Явч; для длин волн, меньших />-вч> ослабление определяется пре-мущественно рассеянием, а эффективность поглощения уменьшается при том, как Х3'2. С физической точки зрения наличие указанного макси-ума поглощения объясняется тем, что при относительно больших зна-ениях проводимости материала сокращение области проникновения ЭМ

злучения внутрь частицы (толщина скин-слоя бг) оказывает более

р

езкое снижающее влияние ( ~ 1/б ) на суммарную величину тепловых этерь, чем рост этих потерь из-за увеличения проводимости ( ~ б), пя случая частиц с умеренной величиной проводимости материала на :нове анализа коэффициентов ряда рассеяния и учета наиболее суще-[•венных из них, получены приближенные выражения,позволяющие оцени-зть различные поляризационные эффекты. Из которых, в частности, юдует, что, для тонких цилиндров (к-г0 « I) при относительно )льшх коэффициентах преломления вещества частицы ( |п| » I ) ос->вной вклад в поглощение и рассеяние дает член, соответствующий 1ектрическому дипольному взаимодействию с ЭМ полем, поляризованным оль оси цилиндра.

В разделе 2.3 обращено внимание на то, что рассмотренные выше шения для областей действия НЧ (раздел 2.1) и ВЧ (раздел 2.2) иближений дают на участке с длинами волн лежащими меяду Я^ и инаковые по величине и характеру поведения (отсутствие частотной висимости) значения о ^ « Такая общность поведения обусло-

эна, и на это уже указывалось, определяющим влиянием дипольного эктрического члена в ряде Ми на характер рассеяния тонкими, ци--шрическии телами при относительно невысоких значениях потерь в гериале. Здесь следует, однако, отметить,что спад при боль-с длинах волн ( Я. > обусловлен, в первую очередь, конеч-

ные величины продольного размера 10 частицы, а при малых дли-

нах волн (Я. < Явч) такой спад связан с уменьшением толщины скин-

слоя по отношению к поперечному размеру г0 частицы. Так как участо!

с Явц < X < Л^ включает в себя область резонанса ( Л / 10 « I )

то необходимо рассмотреть условия, при которых рассеяние на сильно

вытянутой частице (игле) может рассматриваться в приближении беско

нечного цилиндра, т.е. без учета отражений от концов частицы.

качестве обоснования предположения о поведении решения задачи рас

сеяния в резонансной области обсужден вопрос о затухании поверх

ностных волн в диэлектрическом волноводе с параметрами (размеры

величина потерь материала), соответствующими рассматриваемом

виду частиц. Получено аналитическое выражение для характерно

длины Ъ0 , на которой происходит существенное затухание такого род:

волн. Для наиболее интересной в практическом плане области провода

? ч

мостеи и размеров частиц ( углеволокно : б - 10 - 10 сим/м, г0 = - 10 мкм. 10 = 5 - 10 мм ), установлено, что такая длина Ъ0 на нес колько порядков меньше средней величины продольного размера ] рассеивателей. Это. в свою очередь, означает, что вклад резонансш эффектов в общую картину рассеяния мал и . следовательно, мещ граничными значениями Явч и находится область, в которой щ умеренных значениях проводимости,для достаточно тонких, иглообра: ных частиц практически отсутствует зависимость ослабления от част« ты. Такая особенность в поведении ослабления позволила предложи методику оценки ослабления СВЧ радиоволн в средах с углеграфитовы частицами, основанную на вычислении значений 0ех1-. 2 , и ?.вч относительно простым аналитическим выражениям, учитывающим величи проводимости и соотношение продольного и поперечного размера игл.

В главе 3 рассмотрены аппаратура и методика измерения ослабл ния СМ и ММ излучения в искусственных аэрозолях и смесях. Приведе основные параметры и блок-схемы трех отдельных автоматизированнь многоканальных, радиофизических комплексов, специально создана для измерений ослабления СВЧ радиоволн соответственно в условк лабораторного эксперимента, аэрозольной кал еры и открытого, ать сферного полигона.

В разделе 3.1 описана автоматизированная лабораторная у станс ка для исследования функций пропускания и отражения от образцов поглощающими частицами. Ее параметры: погрешность измерения осле

пения и отражения - не хуже ±0,1дБ; динамический диапазон регистрации сигналов - не менее 40 дБ; точность измерения частоты в диапазоне 10100 ГГц - АГЯ $ Ю-6. Функция ПЭВМ в составе данной измерительной установки не ограничивается регистрацией уровней сигналов 1 частоты ЭМ излучения, а состоит также и в обеспечении такого реж-ша перестройки СВЧ генераторов по частоте, при котором обеспечива-зтся автоматическое поддержание синхронизма в подсистеме измерения 1астоты в течение всего периода сканирования. Большая часть системы юбрана на базе унифицированных приборов и блоков, что позволяет не ■олько относительно просто повторить ее в условиях лабораторий ра-иофизического профиля, но и переориентировать для других целей, [апример, как радиоспектрометр для исследования поглощения в газах.

В разделе 3.8 рассмотрен автоматизированный стендовый комп-екс для изучения искусственных газо-аэрозольные образований, со-ержащих микрочастицы твердого углерода различной формы и концент-ации, в условиях специальной аэрозольной камеры. Такая камера пре-ставляет собой укрытое от атмосферных воздействий (подземное) по-ещение размером 5 * 5 х 100 метров, снабженное различными средст-зми для формирования газо-аэрозольных сред и контроля их параметр-в.При исследованиях распространения радиоволн в указанных выше эедах к комплексу радиофизичекой аппаратуры предъявляются особые эебования по малогабаритности и мобильности, поскольку после ежед-эвного цикла опытов аэрозольную камеру необходимо было полностью гвобождать для проведения других экспериментальных работ. Комплекс )стоит из трех каналов приемо-передающих устройств, разнесенных на зсстояние в 50 метров и расположенных симметрично относительно ;ста выпуска аэрозоля.Имеются два СВЧ канала, работающих на часто-¡х = 15,5 ГГц и Г2 = 102,3 ГГц и Ж канал с ^ = 0,97 мкм. 13Воляющие производить регистрацию ослабления с динамическим диаконом не менее 35 децибелл, при дискретности отсчетов по времени ! хуже 10 мс. Детекторные секции СВЧ диапазона для уменьшения ко-чества приемных антенн установлены вместе на одной параболической тенне диаметром 600 мм. При этом для разделения излучения исполь-вана поляризационная решетка из металлических нитей с шагом I мм. сположенная перпендикулярно оси антенны так, что оба приемника Ч находятся в фокусе антенны, располагаясь симметрично по разные

стороны от такой решетки. Приемные и передающие части комплекса оформлены в виде двух отдельных небольших стоек с роликовой ходовог подвеской, поэтому их достаточно легко и быстро можно установить не заранее подготовленных площадках внутри аэрозольной камеры.

Раздел 3.3 посвящен описанию многочастотного радиофизическогс комплекса для трассовых измерений ослабления СВЧ излучения в газоаэрозольных средах в условиях реальной атмосферы на открытом полигоне. Его основу, как и в рассмотренном выше (раздел 3.2) стендов0!. комплексе, составляют приемные и передающие блоки СВЧ и ИК диапазонов, снабженные антенными системами и расположенные соответственн< в двух отдельных передвижных автомобильных фургонах. Одновременн< могут работать до 6 независимых приемо-передающих каналов в диапа зоне от 2 мм до 2 см в СВЧ и от 5 микрон до 20 микрон в ИК. Комл леке может работать как в локационном режиме, так и в режиме радио просвечивания. При локационном режиме приемное и передающее обору дование располагается по одну сторону от исследуемого газо аэрозольного образования, а излучение принимается от уголкового от ражателя, расположенного по другую сторону от объекта. В режиме ра диопросвечивания приемные и передающие части комплекса располага югея по разные стороны от аэрозольного облака и соответствующие ан тенные системы наводятся непосредственно друг на друга, что упроща ет юстировку при развертывании комплекса, однако, требует больше протяженности измерительной трассы и более трудоемкого кабельног соединения между площадками передатчиков и приемников.

В раздле 3.4 изложена методика изучения ослабления в искусст венных аэрозолях и смесях, основанная на анализе прошедших чере среду сигналов и учитывающая изменение во времени концентрации час тиц.

В главе 4 приводятся результаты измерений функции пропускаю и отражения от образцов со взвесями микрочастиц углерода при ра: личных значениях концентрации и размеров последних. Здесь же рас смотрены.результаты стендовых и полигонных исследований ослаблеш в искусственных аэрозолях.

В разделе 4.I описаны экспериментальные данные для велич! пропускания и отражения в диапазона частот Б = 22 + 38 ГГц от о( разцов, содержащих углеродные частицы иглообразной формы, при ра:

пичных значениях концентрации и размеров игл. В измерениях был ис-тользован углеволоконный материал со следующими параметра™: р -сдельная плотность вещества 1,83 гр/см3; б0 = удельная электро-гроводность =• 4.1-Ю4 сим/м; 2-г0 - диаметр отдельного волокна » 10~бм; продольный размер микроигл варьировался в диапазоне от ),I мм до 4 мм. Показано, что в диапазоне СМ и ММ волн ослабление о взвесях мояет достигать десятков дешбелл на сантиметр длины об-азца даже для достаточно небольших концентраций микроигольчатого аполнителя 10"^). при этом величина отражений остается отно-ительно малой, не превышающей 1% падающей мощности. Анализ совсху-ности результатов позволяет сделать вывод о их соответствии как по бсолютной величине, так и по характеру изменения ослабления в эа-исииости от длины волны (насыщение в области высоких частот), гре-поженному в главе 2 теоретическому способу описания взаимодействия 34 радиозолн со взвесями малых углеродных частиц. Для конкретного ща углеграфита. использованного в опытах, найдено, что эффектив-зе значение проводимости бЭф материала частиц составляет величину, дамерно вдвое меньшую, чем измеренная для постоянного тока б0.

В разделе 4.2 обобщены и проанализированы с точки зрения, ¡сающейся распространения СВЧ радиоволн, данные по измерениям ос-1бления в искусственных аэрозолях, содержащих углеграфитовые мик-'частицы. Общее число опытов составляет свыше трехсот отдельных спериментов, проведенных в условиях аэрозольной камеры и на отитом атмосферном полигоне, в которых испытывались разнообразные особы формирования иглообразных частиц и распыления их в облако розоля. Были исследованы различные составы аэрозоля, отличающиеся рмой и размерами частиц. В том числе иглообразные частицы углег-фита со средними значениями длины <1> от I мм до 15 мм и радиусом э> от 3 микрон до 50 микрон, а также несколько типов графитовых и галлизированных порошков. Ослабление измерялось одновременно на жольких длинах волн в диапазоне от 2 гол до 2 см. Эксперименталь-подтверждено существование области длин волн (Явч $ Я $ Я^), в 'орой ослабление практически не зависит от длины волны. При этом ¡и величины ослабления хорошо соответствовала предложенной теоре-шской модели, при условии использования в ней конкретных микро-ических характеристик исследуемого аэрозоля.

В заключении кратко сформулированы наиболее важные результаты и сделаны выводы по работе в целом.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

I. Проведен теоретический анализ основных закономерностей ослабления СВЧ радиоволн в средах с несферическиш, сильновытянутыми частицами, имеющими конечную проводимость материала.

1. В рамках теории диэлектрических постоянных проводящих срег (модель Друде) и электростатического приближения рассмотренс

рассеяние на частицах такого рода в низкочастотной области. Установлено, что:

- сечение ослабления, обусловленое здесь преимущественно поглощением, имеет максимум относительно изменения проводимости материала частиц , величина и положение которого определяются степенью вытянутости частиц;

- частотная зависимосто ослабления носит насыщающийся в сто рону высоких частот характер, т.е. начиная с некоторой, за висящей от формы и проводимости частицы, длины волны ^ ослабление ЭМ излучения перестает зависеть от частоты;

- уменьшение эффективности ослабления на длинах волн, пре

« -2

вьшаюших пропорционально Я .

2. В высочастотной области для анализа задачи рассеяния в широком диапазоне изменения параметра дифракции (х=2-тс-г0 Л и проводимости использовано приближение бесконечного цилиь дра. Получено,что в случае "длинных" (10 » Я) частиц :

- сечение ослабления, как и в низкочастотной области, имес экстремум (максимум) относительно изменения величины провс диыости материала частиц;

- частотная зависимость поглощения также носит насыщающий«

характер, но в отлк'-:;ю от низкочастотного приближения, у;

в сторону уменьшения частоты и начинается с некоторой х;

рактерной (граничной) длины волны Л.„- .

р ч

- для длин волн, меньших Хдч, ослабление определяется преик щественно рассеягаем, а эффективность поглощения уменьшае ся при этом, как Я~.

3. В качестве обоснования предположения о характере поведения решения задачи рассеяния в резонансной области.обсужден вопрос о затухании поверхностных волн в диэлектрическом волноводе с параметрами (размеры, величина потерь материала), соответствующими рассматриваемому виду частиц. Получено аналитическое выражение для характерной длины, на которой происходит существенное затухание такого рода волн. Для наиболее интересной в практическом плане области проводимо-стей и размеров частиц (углеволокно), установлено, что такая длина на несколько порядков меньше средней величины продольного размера рассеивателей. Это. в свою очередь, означает, что вклад резонансных эффектов в общую картину рассеяния мал и , следовательно, между граничными значениями и Л^у находится область, в которой при умеренных значениях проводимости,для достаточно тонких.иглообразных частиц практически отсутствует зависимость ослабления от частоты.

Такая особенность в поведении ослабления позволила предложить методику оценки характеристик распространения СВЧ радиоволн в средах с углеграфитовыми частицами, основанную на вычислении значений и Х0Ч по относительно простым аналитическим выражениям, учитывающим величину проводимости и соотношение продольного и поперечного размера частиц.

II.. Проведены экспериментальные исследования ослабления СМ и излучения в искусственных аэрозолях и диэлектриках, содерзащих еси микрочастиц твердого углерода.

1. Разработана методика проведения эксперимента и созданы три независимых автоматизированных комплекса для радиофизических измерений, в том числе:

- лабораторный стенд для изучения параметров искусственных сильнопоглощающих диэлектриков;

- модульная система для измерения ослабления в специальной, аэрозольной камере;

- передвижной многоканальный комплекс приемо-передающей аппаратуры для исследования газо-аэрозольных образований в условиях открытого полигона с возможностью работы как в лока-шойном, так и в просвечивающем режимах.

2. Получены экспериментальные данные для величин пропускания : отражения от образцов, содержащих углеродные частицы игло образной формы при различных значениях концентрации и раз меров игл. Показано, что в диапазоне СМ и ММ волн ослабле ние во взвесях может достигать десятков дешбелл на санти метр длины образца, при этом величина отражения остаетс относительно малой, не превышающей 1% падающей мощности.

Анализ совокупности результатов позволяет сделать вывод их соответствии как по абсолютной величине, так и по хара* теру изменения ослабления в зависимости от длины волны Снг сыщение в области высоких частот), предложенному теорет! ческому способу описания взаимодействия СВЧ радиоволн < взвесями малых углеродных частиц. Для конкретного вида у] леграфига. использованного в опытах, определено, что эффа тивное значение проводимости материала частиц - составля величину, примерно вдвое меньшую, чем измеренная для пост янного тока.

3. Проведены измерения ослабления в искусственных аэрозоля содержащих углеграфитовые микрочастицы. Общее число опыт составляет свыше трехсот отдельных экспериментов, проведе ных в условиях аэрозольной камеры и на открытом атмосфера полигоне, в которых испытывались различные способы формир вания иглообразных частиц и распыления их в облако аэро; ля. Ослабление измерялось одновременно на нескольких дли волн в диапазоне от 2 мм до 2 см. Экспериментально подтвс Едено существование области длин волн (Явч ^ х с Я^), е которой ослабление практически не зависит от длины воли При этом сами величины ослабления хорошо описываются ук; занной теоретической моделью при условии использования ] ней конкретных микрофизических характеристик исследуемо: аэрозоля.

Достоверность результатов диссертации подтверждается соотв ствием собственных расчетных и опытных данных, а также сопосгав нием их с данными других авторов.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Аганбекян К.А.,Гуляев Г.А.,Ермаков В.Б..Куликов В.В. К вопросу об ослаблении ЭМ излучения безоблачной земной атмосферой//Тез. докл.VII Всес.совещания по радиометеорологии.Москва.IS86.С.5-7 Ермаков В.Б.. Пожидаев В.Н. Прогнозирование ослабления радиоволн диапазона 10-100 ГГц на горизонтальных и наклонных трассах. - В кн. Электромагнитные волны в атмосфере и космическом пространстве. М. : Наука. 1986. C.II0-II9. Аганбекян К.А..Ермаков В.Б..Куликов В.В..Плохотнюк Е.Ф. Влияние газов индустриального поисхождения на распространение радиоволн // Тез.докл.XV Всес.конференции по распространения радиоволн. Алма-Ата. 1987. С.339-340.

Аганбекян К.А.. Ермаков-В.Б.. Куликов В.В. Исследования поглощения радиоволн миллиметрового диапазона в парах летучих органических соединений.//Тез.докл.III Всес.школы по распространению им и субмм волн в атмосфере. Харьков. 1989. С.37. Аганбекян К.А., Ермаков В.Б. Экспериментальные исследования ослабления радиоволн в аэрозольном облаке из углеродных частиц. // Тез.докл.IV Всес.школы по распространению им и субкл волн в атмосфере. Н.Новгород. 1991. С.47-48. Аганбекян К.А., Ермаков В.Б. Исследование искусственных газовых и аэрозольных образований, поглощающих излучение в оптичэ-ском и СВЧ диапазонах длин волн. М.: В сб.тр. НТО им.Плешакова. 1991. С.99-102.

Agaribekjan К.A., Ermakov V.B., Kullkov V.V. A raiilospectrcae-ter of millimeter range and Investigations of dielectric properties of some gaseous mediums. // Int.conf.of Millimeter Wave and Far Infrared Technology. China, Beijing. 1989. P.427.

Подписано в печать 06.09.1993 г.

Формат 60x84/16. Объем 1,16 у сл. п. л. Тирая 100 экз-;-

Ротапшшт ИРЭ РАН. Заказ 145.