Устройство для измерения электромагнитного отклика от плоскопараллельных пластин в миллиметровом диапазоне

Полезная модель относится к устройствам измерения высокочастотных электромагнитных параметров на основе метода свободного пространства и рупорных антенн. Устройство для измерения электромагнитного отклика от плоскопараллельных пластин в миллиметровом диапазоне содержит блок генерации и индикации СВЧ сигнала (БГИ), два линзовых волновода, образованных соответственно линзами L1, L3 и L2, L4, излучающий рупор 2, расположенный в передней фокальной плоскости линзы L1, и принимающий рупор 3, расположенный в задней фокальной плоскости линзы L2, диафрагму 4, выполненную из радиопоглощающего материала, фокусирующую линзу L3, расположенную в передней фокальной плоскости L1, и фокусирующую линзу L4, расположенной в передней фокальной плоскости линзы L2, при этом диафрагма расположена в заднем фокусе относительно линзы L3 и в переднем фокусе относительно линзы L4, отличается тем, что фокусирующие линзы L1, L2, L3 и L4 каждого волновода выполнены в виде плоских фазоинверсных дифракционных оптических элементов соответствующего диапазона и при этом размер диафрагмы выбирается не более 2 диаметров области фокусировки излучения на образце, а расстояние между парами линз (L1, L3) и (L2, L4) каждого линзового волновода выбирается в диапазоне от 70 до 100 длин волн используемого излучения. Кроме того, дифракционные оптические элементы линзового волновода выполняются на поверхности вращения второго порядка, например, параболе, сфере или конусе, а расстояние между парами линз волновода выбирается в диапазоне от 60 до 80 длин волн используемого излучения. 1 с.п. ф-ла, 3 илл.

Полезная модель относится к устройствам измерения высокочастотных электромагнитных параметров на основе метода свободного пространства и рупорных антенн.

Известна установка ФАС-0.5 разработки ВНИИРИ, выполненная в виде линии передачи электромагнитной энергии в свободном пространстве, состоящую из передающего и приемного фокусирующего устройства, в совмещенном фокусе которых (в фокальном пятне) размещается плоский исследуемый образец (Налбалдян U.C. и др. Изучение свойств материалов на СВЧ в особых условиях // В сб.: методы и средства измерений электромагнитных характеристик материалов на ВС и СВЧ, тезисы докл. 6 всес. Н-т конференции, 29-30 мая 1987, Новосибирск, НИИ Метрологии, с. 92-93).

Недостатком устройства является то, что фокусирующие устройства выполнены в виде зеркальных параболических антенн, в ближнем фокусе которых размещен соответственно излучатель и приемник излучения. Поскольку система является зеркальной, то приемник и излучатель экранируют часть поверхности фокусирующих зеркал, что приводит к уменьшению коэффициента использования СВЧ излучения и появлению дополнительных дифракционных потерь.

Известно устройство измерения параметров плоских диэлектрических структур в свободном пространстве, состоящая из блока генерации и индикации СВЧ сигнала, облучателя в виде СВЧ рупора, расположенного в передней фокальной плоскости диэлектрической линзы, фокус которой (задняя фокальная плоскость) совмещен с приемной диэлектрической линзой, сигнал с которой снимается приемным рупором (D.К. Ghodgaonkar, V.V. Varadan, and V.К. Varadan, A free-space method for measurement of dielectric constants and loss tangents at microwave frequencies, IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 37, no. 3, pp. 789-793, Jun. 1989. См. так же: Free Space Measurement Systems. 2011 Microwave Measurement Systems, LLC. http://www.mmstech.com/free-space-systems.aspx).

Недостатками известного устройства являются:

1) Использование в качестве фокусирующего устройства диэлектрической линзы, толщина D₀ которой в миллиметровом диапазоне составляет десятки длин волн , а, следовательно, величина потерь электромагнитной энергии в материале линзы очень высока. Так, тепловые потери в линзе определяются в первую очередь величиной тангенса угла потерь tg исходного диэлектрика и его толщиной. Поскольку линза неравномерна по толщине, то поглощение в ней зависит еще и от распределения поля. Например, величина тепловых потерь a _h на одиночной линзе для волн ТЕМ_mn определяется следующим выражением:

(ДБ),

где D₀ -максимальная толщина линз, k=2/, - диэлектрическая проницаемость материала линзы, m, n - целые числа. В миллиметровом диапазоне длин волн потери на поглощение еще больше, поскольку в этом диапазоне практически все диэлектрические материалы имеют значительный тангенс угла потерь.

2) Кроме того, выполнение условия обеспечения плоского фронта волны приводит к существенному снижению уровня принимаемого сигнала и сужению динамического диапазона метода, не позволяющему проводить достоверные исследования материалов с большими электродинамическими потерями.

Известны измерительные системы на основе линзовых рупорных антенн (EP 0810686 A2; WO 2002050954 A2). В первом случае (EP 0810686) используется открытая линзовая антенна, которая содержит конический рупор и линзу, закрепленную в полости антенны. Линза имеет плоскую внешнюю поверхность на стороне, обращенной к свободному пространству, и форму гиперболоида вращения на внутренней стороне, противоположной свободному пространству. Линза выполнена из диэлектрического материала с относительной диэлектрической проницаемостью в пределах от 2 до 4 относительных единиц и вставлена в полость рупора. Линза выполнена с цилиндрической частью, которая имеет вторую плоскую поверхность, параллельную первой плоской поверхности и смещенную от первой плоскости на заданное расстояние. Данное решение служит для эффективного снижения помех, вызванных переотражением электромагнитных волн внутри рупорной антенны. Во втором случае (WO 2002050954) рупорная антенна представляет собой рупор с малым выходным отверстием и высоким коэффициентом усиления. В рупорные антенны включаются диэлектрические линзы для фокусировки и направления электромагнитного сигнала к поверхности исследуемого материала. Электромагнитная энергия, отраженная от поверхности материала, поступает в рупорную антенну и преобразуется в электрический сигнал. Далее электрический сигнал обрабатывается, чтобы определить расстояние до материала, его толщину и свойства.

Основным недостатком рассмотренных известных технических решений является то, что в качестве фокусирующего устройства используются диэлектрические линзы, толщина D₀ каждой из которых в миллиметровом диапазоне составляет десятки и более длин волн и следовательно, величина потерь электромагнитной энергии в материале линзы очень высока. Кроме того, в известных устройствах обеспечивается низкий динамический диапазон системы, не позволяющий измерять электромагнитные параметры материалов с большими потерями.

Наиболее близко к данному изобретению, взятого за прототип, устройство для измерения электромагнитного отклика от плоскопараллельных пластин в СВЧ диапазоне, содержащее блок генерации и индикации СВЧ сигнала (БГИ), излучающий рупор 2, расположенный в передней фокальной плоскости линзы L1, и принимающий рупор 3, расположенный в задней фокальной плоскости линзы L2, диафрагму 4, выполненную из радиопоглощающего материала с радиусом, соответствующим первой зоне Френеля, фокусирующую линзу L3, расположенную в передней фокальной плоскости L1, и фокусирующую линзу L4, расположенной в передней фокальной плоскости линзы L2, при этом диафрагма расположена в заднем фокусе относительно линзы L3 и в переднем фокусе относительно линзы L4 (Патент на полезную модель 138600, МПК G01R 27/26, Опубликовано: 20.03.2014, Бюл. 8).

В данном устройстве расширен динамический диапазон с помощью линзового волновода, состоящего из двух пар диэлектрических линз. Применение дополнительных фокусирующих диэлектрических линз позволяет сконцентрировать пучок на исследуемом образце, повышая тем самым уровень СВЧ сигнала, чем обеспечивается увеличение уровня мощности для исследования материалов с большими потерями.

Недостатками известного устройства являются:

1) Использование в качестве фокусирующих устройств диэлектрических линз, толщина каждой из которых в миллиметровом диапазоне составляет десятки длин волн, и, следовательно, величина потерь электромагнитной энергии в материале линзы и линзовом волноводе в целом очень высока.

2) Размер диафрагмы равен первой зоне Френеля, а при сфокусированном на образце пучке (с целью выявления локальных неоднородностей, которые могут проявиться в процессе изготовления или эксплуатации и уменьшения предельных геометрических размеров измеряемых плоскопараллельных образцов) необходим размер диафрагмы существенно меньше - порядка размера области фокусировки.

3) Практическая реализация устройства, выбранного в качестве прототипа, по его описанию крайне затруднена, поскольку отсутствует такая важная характеристика, как расстояние между линзами волновода, необходимая для эффективной работы линзового волновода и формирования плоского волнового фронта между линзами. При малом расстоянии между линзами плоский волновой фронт не будет сформирован и линзовый волновод будет не работоспособен, при большом расстоянии между линзами увеличиваются продольные габариты устройства и растут потери СВЧ энергии при распространении между линзами.

Задачей предполагаемой полезной модели является улучшение эффективности фокусировки линзового волновода при улучшении пространственного разрешения в фокальном пятне.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для измерения электромагнитного отклика от плоскопараллельных пластин в миллиметровом диапазоне, как и прототип, содержит блок генерации и индикации СВЧ сигнала (БГИ), излучающий рупор 2, расположенный в передней фокальной плоскости линзы L1, и принимающий рупор 3, расположенный в задней фокальной плоскости линзы L2, диафрагму 4, выполненную из радиопоглощающего материала, фокусирующую линзу L3, расположенную в передней фокальной плоскости L1, и фокусирующую линзу L4, расположенной в передней фокальной плоскости линзы L2, при этом диафрагма расположена в заднем фокусе относительно линзы L3 и в переднем фокусе относительно линзы L4. Новым является то, что фокусирующие линзы LI, L2, L3 и L4 волновода выполнены в виде плоских дифракционных оптических элементов соответствующего диапазона и при этом размер диафрагмы выбирается не более 2 диаметров области фокусировки излучения на образце, а расстояние между парами линз линзового волновода составляет от 70 до 100 длин волн используемого излучения. Кроме того, дифракционные оптические элементы линзового волновода выполняются на поверхности вращения второго порядка, например, параболе, сфере или конусе.

Полезная модель поясняется чертежами. Фиг. 1 - схема устройства для измерения электромагнитного отклика от плоскопараллельных пластин в миллиметровом диапазоне. Фиг. 2 - образец линзового волновода, состоящего из двух плоских фазоинверсных дифракционных оптических элементов, расположенных на расстоянии между собой в 100 длин волн используемого излучения. Фиг. 3 - образец линзового волновода, состоящего из двух фазоинверсных дифракционных оптических элементов, выполненных на параболической поверхности.

На Фиг. 1 обозначены: 1 блок генерации и индикации (БГИ), 2 - излучающая антенна, расположенная в переднем фокусе линзы L1, L3 - фокусирующая линза первого линзового волновода, 5 - исследуемый образец, закрепленный на диафрагме 4. Линзы L4 и L2 второго линзового волновода, 3 - приемная антенна, расположенная в задней фокальной плоскости линзы L2.

Заявляемое устройство работает следующим образом. СВЧ сигнал из блока генерации и индикации поступает на излучающую антенну 2, расположенную в переднем фокусе линзы L1 (см. фиг. 1). Линза L1 формирует плоский фронт электромагнитной волны, падающий на фокусирующую линзу L3. Сфокусированная электромагнитная волна падает на исследуемый образец 5, закрепленный на диафрагме 4, выполненной из радиопоглощающего материала. Диафрагма расположена в заднем фокусе относительно линзы L3 и в переднем фокусе относительно линзы L4. Прошедшая через образец мощное СВЧ излучение поступает на линзу L4. Плоский фронт электромагнитной волны, сформированный линзой L4, падает па линзу L2, фокусирующую электромагнитную энергию в приемную антенну 3, расположенную в задней фокальной плоскости линзы L2. СВЧ сигнал с приемной антенны 3 поступает в блок генерации и индикации.

Выполнение фокусирующих диэлектрических линз в виде фазоинверсных дифракционных оптических элементов позволяет существенно уменьшить толщину диэлектрика материала линзы, которая становится порядка длины волны излучения, повышая тем самым уровень СВЧ сигнала на исследуемом образце, чем обеспечивается необходимое увеличение уровня мощности для исследования материалов с большими потерями. Кроме того, толщина дифракционного оптического элемента не зависит от его диаметра. Так, например, для частоты 38 ГГц гиперболическая линза имеет толщину 45.2 мм, фазоинверсный дифракционный оптический элемент - 11.3 мм (фокусное расстояние 180 мм, диаметр 190 мм). Для диапазона частот 140 ГГц при диаметре линзы 200 мм с фокусным расстоянием 200 мм, толщина сферической диэлектрической линзы из полистирола составляет 54.5 мм, гиперболической линзы 40 мм, а дифракционного оптического элемента - всего 5 мм, то есть почти в 10 раз меньше. Кроме того, дифракционные оптические элементы значительно легче линз.

Конструктивное выполнение фокусирующих диэлектрических линз в виде дифракционных оптических элементов обеспечивает фокусировку излучения на образце в область с размерами, не превышающими дифракционного предела (1.22B/D, здесь длина волны используемого излучения, B и D соответственно расстояние от поверхности дифракционного оптического диапазона до точки фокусировки и его радиус), поскольку такие дифракционные оптические элементы являются дифракционно-ограниченными фокусирующими системами, что существенно снижает дифракционные эффекты, неизбежные при малых размерах образца для выявления локальных неоднородностей. Экспериментально установлено, что наиболее оптимальный при этом размер диафрагмы составляет не более 2 диаметров области фокусировки излучения на образце (или величины порядка 5).

При выборе расстояния между парами линз линзового волновода, выполненных в виде фазоинверсных дифракционных оптических элементов в диапазоне от 70 до 100 длин волн используемого обеспечивается фокусировка излучения с разрешением не более дифракционного предела и минимальных габаритах. При уменьшении расстояния между парами линз возрастают уровни боковых лепестков и уменьшается эффективность фокусировки. При увеличении указанного диапазона сильно возрастают продольные габариты устройства.

Выполнение фокусирующих диэлектрических линз линзового волновода на поверхности вращения второго порядка, например, параболе, сфере или конусе, позволяет увеличить коэффициент использования падающей СВЧ мощности, поскольку на криволинейной поверхности укладывается большее число зон Френеля N, чем на плоской поверхности, а их коэффициент усиления G пропорционален квадрату числа зон Френеля на поверхности дифракционного оптического элемента (Hristo Hristov. Fresnel zones in wireless links, zone plate lenses and antennas // Artech House, Boston-London, 2000, p. 165):

G~N²+1

Техническим результатом является расширение области применения устройства на материалы с большими потерями, уменьшение предельных геометрических размеров плоскопараллельных образцов исследуемых материалов и повышение точности

1. Устройство для измерения электромагнитного отклика от плоскопараллельных пластин в миллиметровом диапазоне, содержащее блок генерации и индикации СВЧ сигнала (БГИ), два линзовых волновода, образованных соответственно линзами L1, L3 и L2, L4, излучающий рупор 2, расположенный в передней фокальной плоскости линзы L1, и принимающий рупор 3, расположенный в задней фокальной плоскости линзы L2, диафрагму 4, выполненную из радиопоглощающего материала, фокусирующую линзу L3, расположенную в передней фокальной плоскости L1, и фокусирующую линзу L4, расположенной в передней фокальной плоскости линзы L2, при этом диафрагма расположена в заднем фокусе относительно линзы L3 и в переднем фокусе относительно линзы L4, отличающееся тем, что фокусирующие линзы L1, L2, L3 и L4 каждого волновода выполнены в виде плоских фазоинверсных дифракционных оптических элементов соответствующего диапазона и при этом размер диафрагмы выбирается не более 2 диаметров области фокусировки излучения на образце, а расстояние между парами линз (L1, L3) и (L2, L4) каждого линзового волновода выбирается в диапазоне от 70 до 100 длин волн используемого излучения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дифракционные оптические элементы линзового волновода L1, L2, L3 и L4 выполняются на поверхности вращения второго порядка, например параболе, сфере или конусе.