Воробйов Р. В., Бутакова С. В. Харківський інститут ВПС Україна а / я 10744, 61140, Харків, Україна Тел.: (0572) 272409, e-mail: svetvik@ukr.net, vorbut@ukr.net

Анотація – Розглянуто фізична основа частотної селекції електромагнітного випромінювання, відбитого від шорсткою металевої поверхні. Отримано збіг експериментальних і розрахункових даних про спектральних властивостях дзеркала міліметрової антени в ІК діапазоні.

I. Вступ

В роботі [1] розглянуті області застосування антен міліметрового (ММ) діапазону, що приймають інфрачервоне (ІЧ) випромінювання, і механізм прийому ІК випромінювання міліметрової антеною. В [2, 3] розроблено електродинамічний критерій гладкості металевої поверхні, що дозволяє виготовити дзеркало ММ діапазону, рассеивающее ІК випромінювання.

Метою даної роботи є виявлення зв’язку параметрів металевої поверхні з її властивостями частотної селекції відбитого електромагнітного випромінювання.

II. Основна частина

При механічній обробці на металевій поверхні виходять неоднорідності, які можна апроксимувати набором середньостатистичних V-образних канавок [4]. Падаюче на поверхню електромагнітне поле розглядаємо у вигляді квантово-механічних хвильових пакетів («більярдних куль»), в яких локалізована порція енергії хвилі, [5]. Приймаються розмір області локалізації електромагнітного поля – радіус кореляції [6]

Розглянемо три випадки взаємодії квантів енергії з V-подібними канавками різної глибини (рис. 1). На рис. 1а ширина!) І глубінаL канавки істотно перевищують 2рь Кванти енергії цілком проникають в порожнину канавки, в області 1 до глибини L “.” Існує поширюється хвиля. Частина енергії проникає в область 2 і збуджує апериодическое загасаюче поле. В областях 2 і 3 (загальна глибина L “.”) Потужність поля швидко зменшується в міру наближення до дна канавки.

За аналогією з теорією скін-ефекту в неідеальних провідниках потужність, розподілену нерівномірно по глибині, замінимо рівномірно розподіленої потужністю, зосередженої в області 2, при повній відсутності поля в області 3, глибина якої Lsm. На кордоні між областями 2 і 3 нерівномірно розподілена потужність падає в А / раз. Оскільки зміна амплітуди поля в порожнині канавки відбувається за експоненціальним законом із змінним показником (Змінний коефіцієнт поширення), величина 1 / А / відрізняється від прийнятого в теорії скін-ефекту значення е ~2.

Взаємодія поля зі стінками канавки закінчується в області 2, де зосереджена вся енергія, що пройшла через кордон областей 1 і 2. На кордоні областей 2 і 3 поле зазнає відображення, виникає зворотна хвиля. Можливість перенесення активної потужності прямого і зворотного затухаючими хвилями показана Вайнштейном [7].

На рис. 16 ширина канавки Dcrit ^ 2ph Ця канавка має тільки області 2 і 3.

На рис. 1в крок Dsm і (або) глибина канавки істотно менше 2рь Поверхня, покрита такими канавками, буде гладкою {Dsm«l; L„„<4).

на шорстку поверхню.

Fig. 1. An electromagnetic wave incidence on a rough surface

Покажемо можливості запропонованої моделі розрахунку. В роботі [8] виміряні спектральні коефіцієнти відбиття молібдену на довжинах хвиль 1 = 1н-5 ЦТ. Систематична складова профілю 2-го класу і розміри канавки в мікрометрах (ЦТ) дані на рис. 2.

Рис. 2. Профіль шорсткості 2-го класу [8]. Fig. 2. Roughness profile of2-d class investigated in [8]

Для тієї ж шорсткості 2 класу фотографічним методом отримано розподіл локального спектрального коефіцієнта чорноти (з середнім значенням еЛ= 0,5) по ширині канавки при температурі 1605 ° С (середня довжина хвилі / 1 = 0,65 ЦТ). Величина ех* \ Свідчить про наявність додаткової дрібної шорсткості, обумовленої деформацією матеріалу, коливаннями і шорсткістю інструменту, тобто пов’язаної з кінематикою переміщення інструменту і тому також представляє собою канавки з V-подібним профілем. Дрібна шорсткість накладається на велику і істотно впливає на ступінь чорноти у видимому та ІЧ діапазоні. За величиною ел і профілю великої шорсткості визначимо геометричні параметри еквівалентної (розташованої на плоскій поверхні) дрібної шорсткості. Коефіцієнт гладкості А для неполяризованого випромінювання [9]

де 4aige = ^ sh – коефіцієнти гладкості великої і мелкох шорсткостей,, 4large = Ad / abcd = 0,941 (рис. 2);

‘•=15810"5а5 (3)

– відбивна здатність гладкої поверхні металу за законом Відемана-Франца, застосованому до формули Хагена-Рубенса [10], г = 0,735; (/ 1 = 0,65 ЦТ, Г = 1878 К, < ; 5 = 138 W / mK для молібдену, ).

З (2) обчислюємо, 4Sh = 0,383. За значенням, 4Sh визначаємо геометричні параметри еквівалентної дрібної шорсткості для неполяризованого випромінювання. Для цього обрано кути в інтервалі /? = 10 ° н-20 ° і обчислена глибина канавки L така, щоб отримати значення, 4Sh = 0,383 (L = 0,71 h-1, 25 | im) по

формулами j _ 2гаЕАн + {1~г\ае+ Ан), (4)

гЦе+ Ан) +2 {1-г)

R=(Re+Rh)/2 [10], rhe= п4нм [11], (5) – \ -} {\-Л)

де Reh, R – коефіцієнти відбиття від поверхні при падінні Е, Н або неполярізованний хвилі, Аен – Відповідні коефіцієнти гладкості, знайдені в [2-3] на основі моделі – рис. 1.

Для кожної пари значень (Д L) знаходили спектральний коефіцієнт чорноти ea= \-R в інтервалі Я = 0,5 н-5 ЦТ і порівнювали з експериментальними даними [8]. Для дрібного V-образного профілю обрана пара геометричних розмірів L = 0,705 ЦТ і Р = \ 4 °, яка дала збіг з експериментальними значеннями в межах похибки експерименту (не гірше 7%). Див. рис. 3.

Рис. 3. Порівняння ел для молібдену: 1,2 – експеримент [8] і розрахунок; 3 – гладка поверхня.

Fig. 3. Comparison of ел values: 1,2- experiment [8] and calculation; 3 – smooth surface

III. Висновок

Параметри дрібної шорсткості були синтезовані за моделлю рис. 1 на основі експериментальних даних. Коефіцієнти чорноти для A = 0,5 … 5 | im розраховані по тій же моделі і добре збіглися з експериментом. Тому можна вважати, що розроблена методика оцінки електродинамічної гладкості поверхні металу підтверджена експериментально.

IV. Список літератури

[1] Бутакова С. В., Воробйов Р. В. / / Матеріали 10-ї конференції КриМіКо [Севастополь, 11-15 вересня 2000 р.]. Севастополь: Вебер, 2000, с. 348-349.

[2] Бутакова С. В., Воробйов Р. В. Матеріали 12-ї конференції КриМіКо [Севастополь, 9-13 вересня 2002 р.]. Севастополь: Вебер, 2002, с. 317-318.

[3] Бутакова С. В., Воробйов Р. В. Електродинамічний критерій гладкості. Харків: ХТУРЕ. Радіотехніка, № 124 (2002). С. 61-67.

[4] Попова О. P. II Теплофізика високих температур. -1983. -Т.21, – № 1. -С. 66-72.

[5] Лук-мл, Лоув / / Теплообмін і тепловий режим космічних апаратів, – М.: мир.-1974, – С.123-140.

[6] Бутаков К. А., Бутакова С. В. / / електромагніт. хвилі і електронні системи. 2003, т.8, № 2. С. 35-54.

[7] Вайнштейн Л. А. Електромагнітні хвилі. М.: Радіо і зв’язок. – 1988. 440 с.

[8] Хрустальов Б. А., Раков А. М. / / Теплоперенос в одно-і двофазних середовищах. – М.: Наука, 1971. – С. 126-135.

[9] Агабабов С. Г. / / Питання променистого теплообміну. – Краснодар: Изд-во Кубанського ун-ту, 1977. -Вип.241.

[10] Мучник Г. Ф “Рубашов І. Б. Методи теорії теплообміну. Теплове випромінювання. М: Вис. шк., -1974. -272 С.

[11] Агабабов С. Г. / / Теплофізика високих температур. – 1968. -Т.6, – № 1. -С. 78-88.

FREQUENCY SELECTION OF ELECTROMAGNETIC WAVES BY ROUGH MIRROR

Vorobjov R. V., Butakova S. V.

Kharkov Institute of Air Force of Ukraine P.O. Box 10744, 61140, Kharkov, Ukraine Tel.: +380 0572 272409, e-mail: svetvik@ukr.net

Abstract – The physical basis of frequency selection is considered for electromagnetic waves, reflected by rough metal surface. The coincidence of experimental and calculated data on spectral properties of millimeter-wave antenna mirror in IR frequency band is obtained.

I.  Introduction

The physical mechanism of infra-red (IR) radiation reception by the millimeter wave antenna is considered in [1 ]. In [2, 3] the electrodynamic smoothness criterion for a metallic surface is obtained permitting to manufacture a mirror for millimeter wave frequency band operation also dissipating IR radiation. The purpose of this paper is to elicit the interdependences of metallic surface parameters and its frequency selection properties for reflected electromagnetic radiation.

II.  Main part

During the machine work the heterogeneities are appeared on a metal surface. They could be simulated as a set of statistically averaged V-grooves [4]. An electromagnetic field, incident on the surface, is considered to be as the quantum-mechanical wave packets («billiard-balls»), in which the propagating wave energy portions are localized [5]. We characterize the dimension of electromagnetic field localization area as correlation radius pi (1). Three cases of incident electromagnetic field interaction with a rough metal surface are illustrated in Fig.1. Fig. 1a corresponds to D>>2p, and L>>2p, when the energy quanta entirely penetrate into the groove and there is a propagating wave in area 1 up to depth Lcrit. The part of energy penetrates into area 2 and excites an aperiodically damping field. On the boundary between areas 2 and 3 the non-uniformly distributed power is M times less. Magnitude 1/M differs from value e-2 usually used in skin-effect theory. The power distributed non- uniformly along the depth is replaceable by the uniformly distributed power, concentrated in area 2 at full absence of a field in area 3 (depth Lsm) ■ Factor of smoothness is A = ad / abcd. For rough surface of Fig. 2 the spectral distribution of local emissiv-ity (averaged ел=0,5) along groove width at the temperature of 1605°C is obtained by the photographic method (averaged 2=0,65 |xm). In terms of sA and a large roughness profile (Fig.2) the geometry of the equivalent shallow roughness and spectral dependence of £ u = 1-R is obtained for Я = 0,5 ч-5 ЦТ (Fig. 3).

III.  Conclusion

The parameters of shallow roughness were synthesized with a model of Fig.1 on the basis of experimental data. The emissivity for A = 0,5 … 5 ЦТ calculated with the same model well coincides with the experiment value. So the method developed to estimate a metal surface electrodynamic smoothness may be considered as experimentally verified.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»