izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2024-3-45-54izmertech-2062Research ArticleРАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯRADIO MEASUREMENTSКонтроль электрофизических параметров многослойных диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий: оценка разрешающей способности метода поверхностных электромагнитных волнTesting of electrophysical parameters of multilayer dielectric and magnetodielectric coatings: estimation of resolution of the surface electromagnetic wave methodhttps://orcid.org/0000-0001-7682-2420КазьминА. И.Kaz’minA. I.

Александр Игоревич Казьмин 

Воронеж

Aleksandr I. Kaz’min 

Voronezh

alek-kazmin@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6663-4362ФедюнинП. А.FedyuninP. A.

Павел Александрович Федюнин 

Воронеж

Pavel A. Fedyunin 

Voronezh

Fpa1969@yandex.ruМанинВ. А.ManinV. A.

Василий Александрович Манин 

Воронеж

Vasiliy A. Manin 

Voronezh

fanni.05@mail.ruФедюнинД. П.FedyuninD. P.

Дмитрий Павлович Федюнин 

Воронеж

Dmitriy P. Fedyunin 

Voronezh

jr.fedyunin@yandex.ruРябовД. А.RyabovD. A.

Даниил Александрович Рябов 

Воронеж

Daniil A. Ryabov 

Voronezh 

ryalvy@mail.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 Federation202417042024034554Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20242024ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/2062

Проблема реконструкции распределения диэлектрических и магнитных проницаемостей по толщине (профилю) неметаллических покрытий является актуальной в связи с возрастанием роли современных методов радиоволнового неразрушающего контроля для оценки качества различных типов материалов и изделий. Радиоволновыми методами реконструировано распределение диэлектрических и магнитных проницаемостей по слоям многослойных диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий на металлической подложке. Исследована разрешающая способность метода поверхностных электромагнитных волн по диэлектрической и магнитной проницаемостям – разность между значениями диэлектрических и магнитных проницаемостей соседних слоёв соответственно многослойных диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий. Разработана оригинальная методика оценки предельной разрешающей способности метода поверхностных электромагнитных волн в зависимости от электрофизических параметров слоёв покрытия, количества и ширины полосы частот измерений, а также от среднего квадратического отклонения шума, воздействующего на результат измерения коэффициентов ослабления поля поверхностной волны. Приведена структура измерительного комплекса, реализующего разработанную методику. Представлены результаты численных и натурных экспериментов по оценке пределов разрешения по диэлектрической и магнитной проницаемостям слоёв двухслойных покрытий различного типа. Численные эксперименты проведены на образце двухслойного радиопоглощающего покрытия, а натурные – на образце двухслойного диэлектрического покрытия на основе материалов Ro4003C и Arlon25N. Установлено совпадение результатов численных и натурных экспериментов, что подтверждает адекватность разработанной методики. При ширине полосы частот измерений 9,0–12,5 ГГц и среднем квадратическом отклонении шума 0,002 обеспечен предел разрешения по диэлектрической и магнитной проницаемостям слоёв 0,25–0,50 %. Предложенную методику можно применять в различных наукоёмких сферах при оценке электрофизических параметров многослойных покрытий в ходе испытаний на эффективность.

The problem of reconstructing the distribution of permittivity and magnetic permeability over the thickness (profile) of non-metallic coatings is relevant in connection with the increasing role of modern methods of radio wave non-destructive testing for assessing the quality of various types of materials and products. Using radio wave methods, the distribution of permittivity and magnetic permeability over layers of multilayer dielectric and magnetodielectric coatings on a metal substrate was reconstructed. The resolution of the method of surface electromagnetic waves in terms of permittivity and magnetic permeability has been studied – the difference between the values of the permittivity and magnetic permeability of adjacent layers of multilayer dielectric and magnetodielectric coatings, respectively. An original method has been developed for assessing the maximum resolution of the surface electromagnetic wave method depending on the electrophysical parameters of the coating layers, the number and bandwidth of measurements, as well as the standard deviation of noise affecting the result of measuring the field attenuation coefficients of the surface wave. The structure of the measuring complex that implements the developed methodology is given. The results of numerical and full-scale experiments to assess the resolution limits of the permittivity and magnetic permeability of layers of two-layer coatings of various types are presented. Numerical experiments were carried out on a sample of a twolayer radio-absorbing coating, and full-scale experiments were carried out on a sample of a two-layer dielectric coating based on Ro4003C and Arlon25N materials. The results of numerical and natural experiments were found to coincide, which confirms the adequacy of the developed methodology. With a measurement bandwidth of 9.0–12.5 GHz and a standard noise deviation of 0.002, the resolution limit for the permittivity and magnetic permeability of layers is 0.25–0.50 %. The proposed technique can be in demand in various science-intensive fields when assessing the electrical parameters of multilayer coatings during efficiency tests.

многослойные покрытиядиэлектрическое покрытиемагнитодиэлектрическое покрытиедиэлектрическая проницаемостьмагнитная проницаемостьметод поверхностных электромагнитных волнреконструкцияразрешающая способностьmultilayer coatingsdielectric coatingmagnetodielectric coatingpermittivitymagnetic permeabilitysurface electromagnetic wave methodreconstructionresolutionReferencesЛагарьков А. Н., Погосян М. А. Фундаментальные и прикладные проблемы стелс-технологий. Вестник РАН, 73(9), 779–787 (2003). https://elibrary.ru/omvijpLagarkov A. N., Pogosyan M. A. Fundamental and applied problems of stealth technologies. Herald of the Russian Academy of Sciences, 73(9), 779–787 (2003). (In Russ.) https://elibrary.ru/omvijpВиноградов А. П., Лагарьков А. Н., Сарычев А. К., Стерлинга И. Г. Многослойные поглощающие структуры из композитных материалов. Радиотехника и электроника, 41(2), 158–161 (1996).Vinogradov A. P., Lagarkov A. N., Sarychev A. K., Sterlinga I. G. Multilayer absorbent structures made of composite materials. Journal of Communications Technology and Electronics, 41(2), 158–161 (1996). (In Russ.)Иванова В. И. и др. Разработка широкополосного радиопоглощающего покрытия с высокими эксплуатационными свойствами. Журнал радиоэлектроники: сетевой журнал, (7), (2016). URL: http://jre.cplire.ru/jre/jul16/5/text.pdfIvanova V. I., Kibets S. G., Krasnolobov I. I. et al. Development of broadband radar absorbing material possessing highlevel operating performance. Zhurnal radioelektroniki, (7), (2016). (In Russ.) http://jre.cplire.ru/jre/jul16/5/text.pdfБасков 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: сетевой журнал, (11), (2019). URL: http://jre.cplire.ru/jre/nov19/12/text.pdfBaskov K.M., Politiko A.A., Semenenko V.N. et al. Radio wave control of parameters of samples of multi-layer radome walls. Zhurnal radioelektroniki, (11), (2019). (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, (2), 55–59 (2019). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2019-2-55-59Semenenko V. N., Chistyaev V. A., Politiko A. A. et al. Test Stand for Measuring the Free-Space Electromagnetic Parameters of Materials over an Ultrawide Range of Microwave Frequencies. Measurement Techniques, 62(2), 161–166 (2019). https://doi.org/10.1007/s11018-019-01601-5Антропов О. С., Дробахин О. О. Повышение разрешающей способности метода фурье-преобразования коэффициента отражения путем экстраполяции спектра на основе принципа минимума длительности. Дефектоскопия, (5), 72–80 (2009). https://elibrary.ru/mguexjAntropov O. S., Drobakhin O. O. Increase in the resolution of the reflection coefficient Fourier-transform method by spectrum extrapolation based on the method of the minimum duration principle. Russian Journal of Nondestructive Testing, 45(5), 347–354 (2009). (In Russ.) https://doi.org/10.1134/S1061830909050088Aly O. A. M., Omar A. S. Reconstructing stratified permittivity profiles using super-resolution techniques. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 54(1), 492–498 (2006). https://doi.org/10.1109/TMTT.2005.860491Aly O. A. M., Omar A. S. Reconstructing stratified permittivity profiles using super-resolution techniques. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 54(1), 492–498 (2006). https://doi.org/10.1109/TMTT.2005.860491Mirjahanmardi S. H., Albishi A. M., Ramahi O. M. Permittivity Reconstruction of Nondispersive Materials Using Transmitted Power at Microwave Frequencies. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 69(10), 8270–8278 (2020). https://doi.org/10.1109/TIM.2020.2988329Mirjahanmardi S. H., Albishi A. M., Ramahi O. M. Permittivity Reconstruction of Nondispersive Materials Using Transmitted Power at Microwave Frequencies. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 69(10), 8270–8278 (2020). https://doi.org/10.1109/TIM.2020.2988329Omar A. Base bandand Super-Resolution-Passband Reconstruction Microwave Imaging. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 67(4), 1327–1335 (2019). https://doi.org/10.1109/TMTT.2019.2894427Omar A. Base bandand Super-Resolution-Passband Reconstructionsin Microwave Imaging. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 67(4), 1327–1335 (2019). https://doi.org/10.1109/TMTT.2019.2894427Li Y., Yang X., Lan T., Liu R., Qu X. Parameter Inversionby a Modified Reflected Signal Reconstruction Method for ThinLayered Media. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 21(5), 958–962 (2022). https://doi.org/10.1109/LAWP.2022.3152843Li Y., Yang X., Lan T., Liu R., Qu X. Parameter Inversionby a Modified Reflected Signal Reconstruction Method for ThinLayered Media. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 21(5), 958–962 (2022). https://doi.org/10.1109/LAWP.2022.3152843Didier Q., Arhab S., Lefeuve-Mesgouez G. Comparative study between different frequency strategies for relative dielectric permittivity and electrical conductivity reconstruction. Application to near subsurface imaging. 2022 IEEE MTT-S International Conference on Numerical Electromagnetic and Multiphysics Modeling and Optimization (NEMO), Limoges, France, pp. 1–4, 2022. https://doi.org/10.1109/NEMO51452.2022.10038974Didier Q., Arhab S., Lefeuve-Mesgouez G. Comparative study between different frequency strategies for relative dielectric permittivity and electrical conductivity reconstruction. Application to near subsurface imaging. 2022 IEEE MTT-S International Conference on Numerical Electromagnetic and Multiphysics Modeling and Optimization (NEMO), Limoges, France, pp. 1–4, 2022. https://doi.org/10.1109/NEMO51452.2022.10038974Михнев В. А. Реконструктивная микроволновая структуроскопия многослойных диэлектрических сред. Монография. ПЧУП «Светоч», Минск (2002).Mikhnev V. A. Reconstructive microwave structuroscopy of multilayer dielectric media. PChUP “Svetoch” Publ., Minsk (2002). (In Russ.)Гринев А. Ю., Темченко В. С., Багно Д. В. Радары подповерхностного зондирования. Мониторинг и диагностика сред и объектов. Монография. Радиотехника, Москва (2013).Grinev A. Yu., Temchenko V. S., Bagno D. V. Subsurface sounding radars. Monitoring and diagnostics of environments and objects. Radiotechnika ” Publ., Moscow (2013). (In Russ.)Казьмин А. И. Методологические принципы определения электрофизических параметров материалов и покрытий со сложной внутренней структурой с помощью поверхностных электромагнитных волн. Дефектоскопия, (3), 34–49 (2022). https://doi.org/10.31857/S0130308222030046Kaz’min A. I. Methodological Principles for Determining Electrophysical Parameters of Materials and Coatings with a Complex Internal Structure Using Surface Electromagnetic. Russian Journal of Nondestructive Testing, 58(3), 205–220 (2022). https://doi.org/10.1134/S1061830922030032Фелсен Л. Излучение и рассеяние волн. В 2-х т. Пер. с англ. под ред. Левина М. Л., Мир, Москва, Т. 1. С. 134–138 (1978).Felsen L. B., Marcuvitz N. Radiation and Scattering of Waves. Vol. 1, Englewood Cliffs, New Jersey (1973).Бреховских Л. М. Волны в слоистых средах. Монография. Наука, Москва (1973).Brekhovskikh L. M. Waves in layered media. Nauka Publ., Moscow (1973). (In Russ.)Казьмин А. И. Многочастотный оптимизационный метод измерения частотных зависимостей электрофизических параметров диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий. Измерительная техника, (9), 54–61 (2021). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2020-9-54-61Kaz’min, A. I. Multifrequency Optimization Method for Measuring the Frequency Dependences of the Electrical Parameters of Dielectric and Magnetodielectric Coatings. Measurement Techniques, 64(9), 763–771 (2021). https://doi.org/10.1007/s11018-022-02001-yКазьмин А. И., Федюнин П. А., Федюнин Д. П. Контроль диэлектрической проницаемости и толщины анизотропных диэлектрических покрытий методом поверхностных электромагнитных волн. Дефектоскопия, (6), 57–72 (2021). https://doi.org/10.31857/S0130308221060063Kaz’min A. I., Fedyunin P. A., Fedyunin D. P. Evaluation of Permittivity and Thickness Gaging for Anisotropic Dielectric Coatings by the Method of Surface Electromagnetic Waves. Russian Journal of Nondestructive Testing, 57(6), 500–516 (2021). https://doi.org/10.1134/S1061830921060085Ufimtsev P. Ya., Ling R. T. New Results for the Properties of TE Surface Waves in Absorbing Layers. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 49(10), 1445–1452 (2001). https://doi.org/10.1109/8.954933Ufimtsev P. Y., Ling R. T. New results for the properties of TE surface waves in absorbing layers. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 49(10), 1445–1452 (2001). https://doi.org/10.1109/8.954933Казьмин А. И., Федюнин П. А., Рябов Д. А. Оценка точности реконструкции электрофизических параметров многослойных радиопоглощающих покрытий методом поверхностных электромагнитных волн с помощью имитационной модели в системе Matlab. Материалы XXI Международной научно-методической конференции «Информатика: проблемы, методы, технологии», Воронеж, Россия, 11–12 февраля 2021 г., ООО «Вэлборн», Воронеж, с. 350–358 (2021) https://elibrary.ru/wfllxrKaz’min A. I., Fedyunin P. A., Ryabov D. A. Assessment of the accuracy of reconstruction of the electrical parameters of multi-layer radio-absorbing coatings using the method of surface electromagnetic waves using a simulation model in Matlab. Materials of the XXI International Scientific and Methodological Conference “Informatics: Problems, Methods, Technologies”, Voronezh State University, 11–12 February 2021. (In Russ.)Богданов Ю., Кочемасов В., Хасьянов Е. Фольгированные диэлектрики – как выбрать оптимальный вариант для печатных плат ВЧ/СВЧ-диапазонов. Часть 1. Электроника: Наука, Технология, Бизнес, (3(125)), 156–168 (2013). https://elibrary.ru/qatfvdBogdanov J., Kotchemasov V., Khas’yanova H. Copper clad dielectrics. How to select the optimum version for high frequency and microwave PCBS. Electronics: Science, Technology, Business, (3(125)), 156–168 (2013). (In Russ.)

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