izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2020-9-54-61izmertech-1948Research ArticleРАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯRADIO MEASUREMENTSМногочастотный оптимизационный метод измерения частотных зависимостей электрофизических параметров диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытийMultifrequency optimization method of measurement the frequency dependency of electrophysical parameters of dielectric and magnetodielectric coatingshttps://orcid.org/0000-0001-7682-2420КазьминА. И.Kaz'minA. I.

Александр Игоревич Казьмин  

Воронеж

Aleksandr I. Kaz'min

Voronezh

alek-kazmin@yandex.ruВоенный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина»РоссияMilitary Educational and Scientific Center of the Air Force “N. E. Zhukovsky and Y. A. Gagarin Air Force Academy”Russian Federation202115082023095461Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20232023ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/1948

Освещены вопросы экспериментального определения электродинамических параметров существующих и новых синтезируемых материалов и покрытий, применяемых в диапазоне сверхвысоких частот. Рассмотрены проблемы измерений радиоволновыми методами электрофизических и геометрических параметров диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий, расположенных на металлической подложке. Предложен оригинальный радиоволновый метод совместных измерений частотных зависимостей комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей, а также толщины плоскослоистых образцов диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий на металлической подложке. Определение электрофизических и геометрических параметров покрытия сведено к минимизации целевой функции, построенной по невязке между экспериментальными и вычисленными теоретическими значениями коэффициентов ослабления поля поверхностной электромагнитной волны сверхвысокочастотного диапазона на сетке дискретных частот. Представлена имитационная модель измерений, реализованная на основе системы электродинамического моделирования CST Microwave studio (Simulia, USA) и системы Matlab. Приведены результаты имитационного моделирования по определению частотных зависимостей электрофизических параметров и толщины образца радиопоглощающего покрытия на металлической подложке. Получены погрешности оценок комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей в полосе частот 9–13,5 ГГц, составляющие не более 10 % с доверительной вероятностью 0,95 при среднем квадратическом отклонении уровня шума 0,006. Предложенный методможет быть востребован в различных наукоёмких сферах – микроэлектронной, аэрокосмической, машиностроительной и др.

The issues of experimental determination of electrodynamic parameters of existing and new synthesized materials and coatings used in the microwave range are highlighted. Problems arising from measurements of the electrophysical and geometric parameters of dielectric and magnetodielectric coatings, taking into account their placement on a metal substrate, by radio wave methods are considered. We present the new radio wave method of joint measurements of the frequency dependence of the complex permittivity, the frequency dependence of the complex magnetic permeability, and the thickness of plane-layered samples of dielectric and magnetodielectric coatings on a metal substrate. Determination of electrophysical and geometric parameters of the coating in the proposed method is reduced to minimizing the objective function constructed based on the discrepancy between the experimental and design theoretical values of the attenuation coefficients of surface electromagnetic wave fields on a grid of discrete frequencies. The simulation model of measurements is shown, implemented on the basis of the electrodynamic modeling system CST Microwave studio (Simulia corporation, USA) and the Matlab system. The results of simulation are presented to determine the frequency dependences of the electrophysical parameters and the thickness of a sample of a radio-absorbing coating on a metal substrate. Errors in the estimates of permittivity and permeability in the measurement frequency band 9–13.5 GHz, which are no more than 10 % with a confidence level of 0.95 with a mean square deviation of the noise level of 0.006, have been obtained. The proposed method can be in demand in various science-intensive areas – microelectronic, aerospace, mechanical engineering, etc.

поверхностная электромагнитная волнадиэлектрическое покрытиемагнитодиэлектрическое покрытиекомплексная диэлектрическая проницаемостькомплексная магнитная проницаемостьчастотная дисперсияобратная задачаимитационная моделькоэффициент ослабления поляsurface electromagnetic wavesdielectric coatingmagnetodielectric coatingcomplex permittivitycomplex permeabilityfrequency dispersioninverse problemsimulation modelattenuation coefficient of surface electromagnetic wavesReferencesDankov P. I., J. Phys., Conf. Ser., 2020, vol. 1598, 012002. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1598/1/012002Dankov P. I., J. Phys., Conf. Ser., 2020, vol. 1598, 012002. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1598/1/012002Лагарьков А. Н., Погосян М. А. Фундаментальные и прикладные проблемы стелс-технологий // Вестник РАН. 2003. Т. 73. № 9. С. 779–787.Lagar’kov A. N., Pogosjan M. A., Fundamental’nye i prikladnye problemy stels-tekhnologii [Fundamental and applied problems of stealth technologies], Vestnik RAN, 2003, vol. 73, no. 9, pp. 779–787. (In Russ.)Сухаревский О. И., Василец В. А., Кукобко С. В., Нечитайло С. В., Сазонов А. З. Рассеяние электромагнитных волн воздушными и наземными радиолокационными объектами. Xарьков: ХУПС, 2009. 468 с.Sukharevskii O. I., Vasilets V. A., Kukobko S. V., Nechitailo S. V., Sazonov A. Z., Rasseyanie elektromagnitnykh voln vozdushnymi i nazemnymi radiolokatsionnymi ob”ektami [Scattering of electromagnetic waves by air and ground radar objects], Xar’kov, KhUPS, 2009, 468 p. (In Russ.)Беляев В. В., Кирьянов О. Е., Понькин В. А. Радиолокационные, антенные и радиофизические измерения. Воронеж: Научная книга, 2013. 319 с.Belyaev V. V., Kir’yanov O. E., Pon’kin V. A., Radiolokatsionnye, antennye i radiofi zicheskie izmereniya [Radar, antenna and radiophysical measurements], Voronezh, Nauchnaya kniga publ., 2013, 319 p. (In Russ.)Басков К. М., Политико А. А., Семененко В. Н., Чистяев В. А., Акимов Д. И., Краснолобов И. И. Радиоволновой контроль параметров образцов многослойных стенок радиопрозрачных укрытий. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2019. № 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2019.11.12Baskov K. M., Politiko A. A., Semenenko V. N., Chistyaev V. A., Akimov D. I. and Krasnolobov I. I., Zhurnal radioelektroniki, 2019, no. 11. (In Russ.) https://doi.org/10.30898/1684-1719.2019.11.12Семененко В. Н., Чистяев В. А., Политико А. А., Басков К. М. Стенд для измерений в свободном пространстве радиофизических параметров материалов в сверхширокой полосе сверхвысоких частот // Измерительная техника. 2019. № 2. С. 55–59. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2019-2-55-59Semenenko V. N., Chistyaev V. A., Politiko A. A., Baskov K. M., Measurement Techniques, 2019, vol. 62, no. 2, pp. 161–166. https://doi.org/10.1007/s11018-019-01601-5Li Zh., Haigh A., Soutis C., Gibson A., Sloan R., Journal of Nondestructive Evaluation, 2019, vol. 37, 39. https://doi.org/10.1007/s10921-018-0493-1Li Zh., Haigh A., Soutis C., Gibson A., Sloan R., Journal of Nondestructive Evaluation, 2019, vol. 37, 39. https://doi.org/10.1007/s10921-018-0493-1Антропов О. С., Дробахин О. О. Повышение разрешающей способности метода фурье-преобразования коэффициента отражения путём экстраполяции спектра на основе принципа минимума длительности // Дефектоскопия. 2009. № 5. С. 72–80.Antropov O. S., Drobakhin O. O., Povyshenie razreshayushchei sposobnosti metoda fur’e-preobrazovaniya koeffi tsienta otrazheniya putem ekstrapolyatsii spektra na osnove printsipa minimuma dlitel’nosti [Increasing the resolution of the Fourier transform of the refl ection coeffi cient by extrapolating the spectrum based on the principle of minimum duration] Defektoskopiya, 2009, no. 5, pp. 72–80. (In Russ.)Казьмин А. И., Федюнин П. А. Оценка точности реконструкции электрофизических и геометрических параметров многослойных диэлектрических покрытий многочастотным радиоволновым методом поверхностных медленных электромагнитных волн // Измерительная техника. 2020. № 8. С. 51–58. https:/doi.org/10.32446/0368-1025it.2020-8-51-58Kaz’min A. I., Fedjunin P. A., Measurement Techniques, 2020, vol. 63, no. 8, pp. 645–652. https://doi.org/10.1007/s11018-020-01834-9Казьмин А. И., Федюнин П. А. Контроль электрофизических параметров метаматериалов методом поверхностных электромагнитных волн // Дефектоскопия. 2021. № 4. С. 51–67. https://doi.org/10.31857/S0130308220090055Kaz’min A. I., Fedjunin P. A., Russian Journal of Nondestructive Testing, 2021, vol. 57, no. 4, pp. 320–336. https://doi.org/10.1134/S1061830921040070Ваганов Р. Б., Коршунов И. П., Коршунова Е. Н., Олейников А. Д. Экспериментальное исследование структуры поля поверхностной электромагнитной волны в анизотропно проводящей ленте // Радиотехника и электроника. 2013. Т. 58. № 2. С. 136–142.Vaganov R. B., Korshunov I. P., Korshunova E. N., Oleinikov A. D., Radiotekhnika i elektronika, 2013, vol. 58, no. 2, pp. 136– 142. (In Russ.)Valerio G., Jackson D. R., Galli A., Proceedings of the Royal Society, 2010, vol. 466, pp. 2447–2469. https://doi.org/10.1098/rspa.2009.0664Valerio G., Jackson D. R., Galli A., Proceedings of the Royal Society, 2010, vol. 466, pp. 2447–2469. https://doi.org/10.1098/rspa.2009.0664Фелсен Л., Маркувиц Н. Излучение и рассеяние волн / Под ред. М. Л. Левина: Пер. с англ. М.: Мир, 1978. Т. 1. 546 с.Felsen L. B., Marcuvitz N., Radiation and Scattering of Waves, vol. 1, Englewood Cliff s, New Jersey, 1973.Frezza F., Tedeschi N., Journal of the Optical Society of America A, 2015, vol. 32, no. 8, pp. 1485–1501. https://doi.org/10.1364/JOSAA.32.001485Frezza F., Tedeschi N., Journal of the Optical Society of America A, 2015, vol. 32, no. 8, pp. 1485–1501. https://doi.org/10.1364/JOSAA.32.001485Бреховских Л. М. Волны в слоистых средах. M.: Наука, 1973. 343 с.Brekhovskikh L. M., Volny v sloistykhsredakh [Waves in layered media], Moscow, Nauka Publ., 1973, 343 p. (In Russ.)Ufi mtsev P. Ya., Ling R. T., IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2001, vol. 49, no. 10, pp. 1445–1452. https://doi.org/10.1109/8.954933Ufi mtsev P. Ya., Ling R. T., IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2001, vol. 49, iss. 10, pp. 1445–1452. https://doi.org/10.1109/8.954933

The authors declare that there are no conflicts of interest present.