Ближнепольное СВЧ зондирование плоскослоистых сред

• Автор: Юрасова, Надежда Валерьевна
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 122 с. : ил.

Глава I. Электрически малые антенны в системах ближнепольного
СВЧ зондирования
1.1. Постановка электродинамической задачи о ближнепольном
зондировании
1.2. Электромагнитное поле антенны в среде и вакууме
1.3. Импеданс ближнепольной антенны
1.4. Пространственное разрешение и чувствительность
ближнепольного микроскопа
Глава II. Ближнепольная радиометрия
2.1. Эффекты квазистационарного теплового поля
2.2. Антенны для ближнепольной радиометрии
2.3. Экспериментальные исследования квазистационарного
теплового поля
2.4. Температурная диагностика сред
Глава III. Активная ближнепольная СВЧ диагностика сред
3.1. Введение
3.2. Зондирование слабонеоднородных сред
3.2.1. Электродинамическая задача температурной диагностики биологических тканей
3.2.2. Модель диэлектрической проницаемости биологических
сред
3.2.3. Средняя температура и глубина зондирования
3.2.4. Определение температурных профилей
3.2.5. Экспериментальные исследования средней температуры
3.3. Зондирование сильнонеоднородных сред
3.3.1. Электродинамическая задача зондирования
3.3.2. Схема эксперимента
3.3.3. Исследование однородного полупространства
3.3.4. Обнаружение контрастных образований внутри биологических тканей

Заключение

Приложение 1. Функция Грина однородного полупространства 100 Приложение 2. Функция Грина двухслойного полупространства102
Приложение 3. Ядро интегрального уравнения (3.13)
Приложение 4. Функция Грина слоистонеоднородной среды
Список публикаций автора диссертации
Список литературы
Актуальность работы
Значение внутренней диагностики различных объектов трудно переоценить: исследование многослойных структур, обнаружение неоднородностей под поверхностью сред, измерение глубинной температуры тела человека, — эти и другие задачи являются актуальными в современных направлениях микроэлектроники, материаловедения, дефектоскопии, медицины. Среди многочисленных способов исследования особой ценностью обладают дистанционные методы, позволяющие получать информацию о свойствах среды без непосредственного физического воздействия на изучаемый объект.
Одним из наиболее успешных и перспективных средств диагностики является ближнепольное СВЧ зондирование в пассивном и активном режимах. Данная техника лежит в основе широкого спектра методов, служащих для исследования температуры и диэлектрической проницаемости объектов различной природы [1]—[53]. В приложении к задачам подповерхностного зондирования диапазон СВЧ представляется более выгодным по сравнению с оптическими и инфракрасными волнами. Его преимущество заключается в том, что проникающая способность микроволн внутрь многих сред, включая биологические ткани, достигает величин от нескольких миллиметров до дециметров, и именно такой диапазон глубин вызывает интерес в большинстве практических задачах внутренней диагностики сред.
Основным элементом ближнепольной измерительной системы (зонда) является электрически малая антенна (ЭМА), размер которой намного меньше длины волны: В -С А. Выполнение такого условия обеспечивает высокое пространственное разрешение, которое в ближнепольных измерениях определяется именно величиной Б.
Электрически малая антенна, входящая в состав ближнепольного СВЧ зонда, играет роль приемника теплового излучения в пассивных методах диагностики [1]—[27] и выступает в качестве источника электромагнитного поля в рамках активного зондирования [28]—[53]. В обоих случаях антенна находится вблизи поверхности исследуемой среды (на высоте На А), которая в большинстве приложений является поглощающей. Данный факт определяет специфику рассматриваемых задач: наличие среды в ближней зоне антенны
2.3. Экспериментальные исследования квазистационарного
теплового поля
В соответствии с результатами теоретического анализа, проведенного в разделе 2.1., эффект увеличения плотности энергии теплового поля вблизи среды за счет квазистационарной компоненты не может быть непосредственно зарегистрирован радиометром. В то же время, как мы уже отмечали, этот ■ . вывод не означает полного отсутствия измеряемых эффектов, связанных с ближним тепловым полем. Для экспериментального обнаружения квазистационарной составляющей поля необходимо использовать среду с неравномерным по глубине распределением температуры Т(г).
Согласно (2.9), в радиодиапазоне связь измеряемой радиометром мощности (яркостной температуры %) с подповерхностным профилем Т(г) имеет следующий вид:

Т6(Д Д) = I Т{х) К(г, Б, На) с!г, (2.22)

причем I К(Л, На, Б, г)с1г = 1. Для линейной зависимости Т(г) из фор
мулы (2.22) и принятого определения (2.17) следует простое соотношением между яркостной температурой и эффективной глубиной зондирования:
Ть = Т(г = -(1е й). (2.23)
Другими словами, принимаемая радиометром мощность пропорциональна средневзвешенной по глубине температуре среды с характерным масштабом усреднения Дд. Соотношение (2.23), очевидно, может быть использовано для * экспериментального определения величины Дд по данным измерений Д. Регистрация эффекта уменьшения глубины зондирования по сравнению с толщиной скин-слоя среды была описана в работе [76], что стало первым экспери-ментальным свидетельством существования квазистационарной компоненты теплового поля. В настоящем разделе речь пойдет именно о таком эксперименте, а интерпретация его результатов будет проведена на основе развитой выше теории.
Измерения проводились с помощью комплекса из трех приемных антенн с различными размерами I) (схематический вид антенны представлен на