РЕЗОНАТОРНОЕ УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ МОДУЛЯ И ФАЗЫ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ ЛИСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к средствам радиоволновой неразрушающей СВЧ диагностики материалов. Устройство может быть использовано для измерения и контроля коэффициента отражения электромагнитных волн от  плоских объектов.
-2
Известно устройство для измерения распределения величины комплексного показателя преломления сильно поглощающих образцов, описанное в [1]. Данное устройство работает по схеме нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), обеспечивает размещение исследуемого образца на плоской поверхности НПВО-элемента с высоким показателем преломления, обеспечивающим полное внутреннее отражение излучения от поверхности раздела НПВО-элемента и образца, подачу светового пучка на поверхность раздела НПВО-элемента и образца, и регистрацию отраженного светового пучка. В качестве светового пучка используют пучок монохроматического излучения с расходимостью не более 5⋅10 рад.
К недостаткам данного устройства можно отнести невысокую чувствительность, характерную для пучковых методов, а также разрешающую способность хуже дифракционного предела, несмотря на использование пучков с низкой расходимостью.
Известно устройство для ближнеполевого СВЧ-контроля параметров материалов, содержащее СВЧ-генератор с подключенным к нему прямоугольным волноводом, имеющим измерительное устройство с волноводной резонансной системой в качестве оконечного устройства, причем оконечное устройство содержит емкостную металлическую диафрагму, отличающееся тем, что на емкостную металлическую диафрагму наложен плоскопараллельный образец диэлектрика с площадью, равной площади фланца волновода, а на образец диэлектрика наложен зонд в виде металлической проволоки с заостренным концом, изогнутым под прямым углом, отрезок зонда большей длины расположен на диэлектрической пластине перпендикулярно щели в диафрагме, отрезок зонда с заостренным концом меньшей длины перпендикулярен плоскости образца диэлектрика [2]. Данное устройство использует резонаторный метод и позволяет достичь очень высокого разрешения при взаимодействии с объектом, однако, по сути, в квазистатическом поле. К тому же устройство работает практически только в сантиметровом диапазоне длин волн.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является устройство измерения модуля и фазы коэффициента отражения листовых материалов, описанное в [3] (выбрано за прототип). Устройство реализует квазиоптический резонаторный метод измерения модуля и фазы плоскопараллельных листовых материалов. Исследуемый объект находится за отверстием в одном из отражателей открытого резонатора. Перемещая объект, исследуют поле резонаторных колебаний излучения.
К недостаткам такого устройства можно отнести то, что к геометрическим характеристикам отверстия предъявляются достаточно противоречивые требования. С одной стороны, размеры  отверстия необходимо выполнять как можно большими по сравнению с длиной волны для достижения минимальной расходимости пучка между зеркалом и объектом, с другой – их необходимо уменьшать для достижения более высокой локальности измерений и уменьшения вариаций амплитуды поля по его площади. Поэтому локальность измерений здесь ограничена величиной, заметно превышающей длину волны, а погрешность измерений велика.
Технической задачей полезной модели является возможность измерения модуля и фазы коэффициента отражения листовых материалов с субволновым разрешением в широком диапазоне длин волн, от сантиметрового до оптического, и повышение точности измерений.
Поставленная задача решена следующим образом. В резонаторном устройстве, содержащем последовательно соединенные СВЧ генератор, калиброванный аттенюатор, открытый двухзеркальный резонатор с элементами связи и отверстием в одном из отражателей для облучения исследуемого объекта, а также устройство перемещения образца, регистратор положения исследуемого образца, регистратор амплитуды резонансного колебания, в отличие от прототипа между указанным отверстием в отражателе и исследуемым объектом расположена формирующая фотонную струю диэлектрическая частица из материала с малыми диэлектрическими потерями на используемой для измерений частоте, имеющая характерные размеры не менее 0.5 длины волны используемого излучения и не более 0,5 радиуса резонансного пучка на отражателе.
Устройство поясняется схемой фиг. 1.
Устройство включает в себя открытый СВЧ резонатор 1, образованный двумя зеркальными отражателями 2 и 3, СВЧ генератор сигнала 4, калиброванный аттенюатор 5, индикатор 6, регистраторы 7 и 8, исследуемый объект (образец) 9, элементы связи 11. В одном из отражателей выполнено измерительное отверстие 10, в котором размещают диэлектрическую частицу 13, за ней расположено устройство перемещения образца 12. Частица выполнена из материала с малыми диэлектрическими потерями на используемой для измерений частоте и имеет характерный размер, сравнимый с длиной волны падающего излучения.
Перемещения объекта осуществляют в области за дальней относительно отражателя 3 плоскостью диэлектрической частицы 13, при этом электрическое поле, падающее на исследуемый объект 9, формируется данной частицей, через нее же в открытый резонатор возвращается отраженный сигнал.
Устройство работает следующим образом.
Сигнал с генератора 4 через первый элемент связи 11 возбуждает в открытом резонаторе 1 основной типа колебаний, который имеет максимум поля на оси резонатора и наибольшую однородность по площади измерительного отверстия. Волна резонансного колебания проходит через диэлектрическую частицу 13, отражается от исследуемого объекта 9 и возвращается в резонатор. В то же время регистратор 8 фиксирует изменение положения исследуемого образца при его перемещении устройством 12. При перемещении образца амплитуда колебаний в резонаторе изменяется. Изменение амплитуды прошедшего через другой элемент связи 11 резонатор сигнала измеряется калиброванным аттенюатором 5 и регистрируется регистратором 7, подключенным к индикатору 6.
min
max.
max
min
Модуль и фазу коэффициента отражения от объекта измеряют следующим образом. Исследуемый объект 9 располагают вплотную с внешней стороны отражателя 3 напротив отверстия 10. С помощью устройства перемещения 12 образец 9 удаляют от зеркала 3 и индикатором 6 фиксируют первое экстремальное значение коэффициента передачи открытого резонатора, минимальное А, или максимальное АЗатем последовательно находят второе экстремальное значение, соответственно максимальное А или минимальное А. Модуль коэффициента отражения находят по формуле:
,
где , а з – коэффициент полезного действия отверстия. Значение з может быть определено путем замены исследуемого образца 9 на калибровочный объект с коэффициентом отражения, близким к 1, например, отполированный металлический лист:
,
где , при этом находятся тем же способом, что и для исследуемого образца 9.
max
min
max
min
При положении исследуемого образца 9, соответствующем экстремальному значению коэффициента передачи А или  А, с помощью регистратора 8 определяют расстояние от исследуемого образца 9 до отражателя 3, соответственно b или  b. Таким же образом определяют расстояния  и , соответствующие экстремальным значениям коэффициентов передачи  и для калибровочного объекта. Фаза коэффициента отражения от образца вычисляется по формуле
,
либо по формуле:
,
где λ – длина волны используемого типа колебаний открытого резонатора.
В заявленном резонаторном устройстве,  в отличие от прототипа, величину отверстия можно уменьшить до величины, которая примерно равна половине длины волны, поскольку характерный размер диэлектрической частицы, выполненной, например, в форме кубика или параллелепипеда, может быть достаточно мал. При этом за гранью кубика, обращенной к объекту, формируется фотонная струя (область повышенной интенсивности) [4], размеры которой в направлении, перпендикулярном оси резонатора, становятся меньшими дифракционного предела, что существенно повышает локальность измерений коэффициента отражения образцов. В то же время, в направлении оси резонатора величина фотонной струи может составлять величину более двух длин волн. Это позволяет при измерении фазы использовать несколько отсчетов, что повышает точность измерений.
При использовании диэлектрических частиц другой формы, например, сферы или призмы, ее характерный размер должен быть порядка длины волны используемого излучения [5-6]. Таким образом, уменьшение размеров измерительного отверстия в отражателе открытого резонатора при использовании диэлектрической частицы не только не приводит к увеличению расходимости пучка, а наоборот, позволяет существенно уменьшить площадь взаимодействия резонансного колебания с исследуемым объектом. При этом также повышается равномерность распределения амплитуды поля на отверстии.
Технический результат достигается за счет того, что в указанном отверстии, между отражателем и измеряемым объектом расположена малая диэлектрическая частица, формирующая фотонную струю, с характерным размером не менее 0,5 длины волны используемого излучения. При размерах более 0,5 радиуса резонансного пучка на отражателе эффект локализации взаимодействия с объектом незначителен.
Литература:
1.  Патент РФ 2396547 C1, МПК G01N21/43, опубл. 10.08.2010.
2.  Патент РФ  2529417 C1; МПК G01N22/00, G01R27/26, опубл. 27.09.2014.
3.  А.С. СССР 748283, МКИ G01R27/26, опубл. 15.07.1980.
4.  Terajets produced by 3D dielectric cuboids / V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I. V. Minin, O. V. Minin // Appl. Phys. Lett. 2014. V.105, Pp. 084102.
5.  Патент РФ № 153686 U1. Устройство для формирования фотонной струи с увеличенной глубиной фокуса.
6.  Патент РФ 160810 U1. Субволновой датчик волнового фронта.