微波无损检测系统天线设计及检测方法研究

微波无损检测系统天线设计及检测方法研究

论文摘要

本文介绍了钢筋混凝土的检测方法和研究现状,及国内外微波无损检测方面的研究成果和实际应用发展的概况。对金属圆柱体散射问题、有耗介质的电磁特性、天线基础知识和微带传输线理论进行了阐述,介绍了电磁场的数值分析方法。介绍了微带天线的分析方法,常用的微波、射频及电磁场方面的EDA仿真软件。设计了一块四单元的微带阵列天线,天线的介质基板选用介电常数为2.6,厚度为2.8mm的聚苯乙烯材料,基板上下两面敷铜。利用HFSS和ADS两款软件对天线的S参数、辐射特性和馈电网络进行了仿真,从仿真的结果来看,满足设计的要求,最后手工刻制出了这个天线。对天线的方向性和副瓣电平的大小进行了测试,以确定是否符合后续实验的要求。利用微带阵列天线对混凝土的衰减因子和折射率进行了测量,得到了衰减因子和折射率的值,并利用这两个值计算出了混凝土的复介电常数。混凝土的衰减因子的测量采用天线照射混凝土平面,测量出混凝土后面放置金属板和不放置金属板功率值,通过计算它们的差值并代入衰减公式得到衰减因子的值。折射率的测量采用与混凝土平面成30°角的天线向混凝土发射微波,并且天线与混凝土平面成30°角,通过测量出折射角的大小来计算出混凝土的折射率。利用折射率修正的方法对混凝土中的钢筋位置进行了准确定位。采用微带阵列天线分别发射垂直于混凝土平面以及与混凝土平面成30°角的微波,微波的频率为2.4GHz。垂直发射的微波可以确定钢筋所在的水平位置,而斜向的微波可以确定钢筋的垂直位置。由于微波斜入射到混凝土中时会发生折射,需要通过折射率对测量的结果进行修正,以得到准确的钢筋的位置。从实验的结果来看,定位还是比较准确的,最大的误差不超过0.6cm。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 目录
  • 第一章 绪论
  • 1.1 微波技术概述
  • 1.2 钢筋混凝土检测方法简介
  • 1.3 微波无损检测简介及发展现状
  • 1.4 小结
  • 第二章 微波无损检测中的基础知识
  • 2.1 电磁场与电磁波理论基础
  • 2.1.1 金属圆柱体对电磁波的散射
  • 2.1.2 介质的复介电常数以及色散效应
  • 2.1.3 电磁波的反射和折射
  • 2.2 天线与微带传输线理论基础
  • 2.2.1 天线基础知识
  • 2.2.2 微带传输线理论基础
  • 2.3 电磁场数值分析方法介绍
  • 2.3.1 矩量法
  • 2.3.2 时域有限差分法
  • 2.3.3 有限元法
  • 2.4 小结
  • 第三章 微带阵列天线设计
  • 3.1 微带天线分析方法
  • 3.1.1 传输线模型理论
  • 3.1.2 腔模理论
  • 3.1.3 全波分析理论
  • 3.2 微波、射频以及高频电磁场EDA软件
  • 3.3 微带阵列天线设计步骤与仿真优化
  • 3.3.1 介质基板材料的选取
  • 3.3.2 微带贴片单元的设计
  • 3.3.3 馈电网络的设计
  • 3.3.4 对微带天线单元及阵列模型的仿真与优化
  • 3.4 小结
  • 第四章 混凝土复介电常数的测量
  • 4.1 检验天线的波束方向性及副瓣电平的大小
  • 4.2 测量混凝土的衰减因子α
  • 4.3 测量混凝土的折射率
  • 4.4 计算混凝土的复介电常数
  • 4.5 小结
  • 第五章 对钢筋混凝土进行实测
  • 5.1 测量方法
  • 5.2 测量结果
  • 5.3 方法的优缺点
  • 5.4 小结
  • 第六章 结论
  • 参考文献
  • 附录A 天线波束方向性测量数据
  • 附录B 混凝土介电常数测量数据
  • 附录C 混凝土中钢筋位置测量数据
  • 在学研究成果
  • 致谢
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