Фильтр миллиметрового диапазона на основе резонатора Фабри-Перо для систем бесконтактной диагностики

Полезная модель относится к радиотехнике, а именно к технике миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов электромагнитных волн, и может быть использована, преимущественно, в системах бесконтактной диагностики, в частности, в радиотехнических системах диагностики параметров плазмы в установках по удержанию газовой плазмы и плазмохимических реакторах.
Данная задача является в настоящее время общей для всех установок с использованием интерферометров и рефлектометров одновременно с мощными источниками СВЧ излучения миллиметрового диапазона, например, гиротронами, где необходимо избавляться от дополнительных наводок и шумов.
Известны устройства с использованием резонатора Фабри-Перо.
В частности, известна волоконно-оптическая система измерения мгновенных частот множества СВЧ-сигналов [RU 2721739, C1, G01R 23/165, 21.05.2020], содержащая источник узкополосного оптического сигнала, первый модулятор Маха-Цендера, при этом радиочастотный вход первого модулятора Маха-Цендера является входом волоконно-оптической системы измерения мгновенных частот множества СВЧ-сигналов, оптический циркулятор, оптический фильтр, первый фотоприемник, второй фотоприемник, а также контроллер определения частот СВЧ-сигналов, причем второй порт оптического циркулятора через оптический фильтр посредством волоконных световодов через первый фотоприемник подключен к первому входу контроллера определения частот СВЧ-сигналов, а третий порт оптического циркулятора посредством волоконного световода через второй фотоприемник подключен ко второму входу контроллера определения частот СВЧ-сигналов, а также генератор СВЧ-сигнала, второй модулятор Маха-Цендера, при этом оптический вход второго модулятора Маха-Цендера соединен с источником узкополосного оптического сигнала посредством волоконного световода, радиочастотный вход второго модулятора Маха-Цендера соединен с генератором СВЧ-сигнала, а выход второго модулятора Маха-Цендера посредством волоконного световода соединен с оптическим входом первого модулятора Маха-Цендера, выход которого в свою очередь посредством волоконного световода соединен с первым портом оптического циркулятора, при этом контроллер определения частот СВЧ-сигналов имеет выход, который является выходом волоконно-оптической системы измерения мгновенных частот множества СВЧ-сигналов.
Известны также устройства [SU 293502 Открытый резонатор для миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн, P.G. Wannier, J.A. Arnaud, F.A. Pelow, and A.A. M. Sale // Review of Scientific Instruments 47, 56 (1976); doi: 10.1063/1.1134490, A.В. Аржанников, H.С. Гинзбург, В. Ю. Заславский, В. Г. Иваненко, И. А. Иванов, П. В. Калинин, А. С.Кузнецов, С.А. Кузнецов, Н.Ю. Песков, А.С. Сергеев, С.Л. Синицкий, В.Д. Степанов, 2006 Вестник НГУ. Серия: Физика. 2006. Том 1, выпуск 2 и т.п.], созданные на основе плоско-параллельного резонатора Фабри-Перо, состоящего из зеркал, выполненных в виде металлических сеток в рамках или нанесенных на радиопрозрачный материал, при этом, пространства между зеркалами заполнены воздухом или диэлектриком, а также из средств фиксации зеркал с возможностью изменения длины резонатора или без этой функции, причем ячейки сеток должны быть меньше длины электромагнитной волны проходящего излучения.
Недостатком таких конструкций является сильная зависимость радиофизических характеристик таких устройств-фильтров от точности изготовления сеток, что приводит к технологической сложности конструкции. В основном они используются в качестве полосно-заграждающих фильтров из-за низких требований к характеристикам таких устройств.
2
Наиболее близким техническим решением к предложенному является устройство [А.В. Аржанников, Н.С. Гинзбург, В.Ю. Заславский, В.Г. Иваненко, И.А. Иванов, П.В. Калинин, А.С.Кузнецов, С.А. Кузнецов, Н.Ю. Песков, А.С. Сергеев, С.Л. Синицкий, В.Д. Степанов, 2006 Вестник НГУ. Серия: Физика. 2006. Том 1, выпуск 2], содержащее резонатор Фабри-Перо, выполненный в виде пары плоскопараллельных двумерных сеток из медной фольги на текстолитовой подложке. Сетки имеют следующие геометрические параметры: g=1 мм, а=0,32 мм, t=0,018 мм, d=0,9 мм, L≈8 мм, рабочая апертура - 100×100 мм.
При выборе значений этих параметров использовались результаты из [Baker Е. А. М., Walker В. Fabry-Perot interferometers for use at submillemeter wave-lengths // J. Phys. E: Sci. Instrum. 1982. Vol. 15. P. 25-32. Green J. P., Veron D., Belland P. Theory of the transmission of metal strip gratings on a dielectric substrate. Application to submillimeter laser coupling // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. 1986. Vol. 7. No. 11. P. 1747-1767], в которых задавались значения t, d, осуществлялся выбор значений g, a, L для обеспечения ширины полосы пропускания 0,6…0,7 ГГц в окрестности частоты 75 ГГц и коэффициента контраста не менее 25 дБ.
При изготовлении сеточных фильтров Фабри-Перо с приведенными выше характеристиками необходимо соблюдать точность выдерживания значения параметра, а в пределах апертуры для исключения возможности паразитного уширения полос пропускания фильтров на величину масштаба 0,1 ГГц, сетки и плоскопараллельность сеток должны быть не хуже, чем Δα=10 мкм и ΔL=40 мкм соответственно.
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно высокая сложность, обусловленная необходимостью соблюдения точности изготовления сеточных фильтров, невыполнение которой может привести к нежелательному увеличению значения ширины полос пропускания и возможности возникновения паразитных переотражений на элементах фильтра.
Задачей, которая решается в полезной модели, является создание фильтра с более простой конструкцией при повышенной стабильности его характеристик, снижение паразитных переотражений и расширение функциональных возможностей путем обеспечения применения как в качестве полосно-заграждающего, так и полосно-пропускающего фильтра. Это позволит расширить арсенал технических средств, используемых в качестве фильтров миллиметрового диапазона на основе резонатора Фабри-Перо для систем бесконтактной диагностики.
Требуемый технический результат заключается в упрощении конструкции, повышении стабильности характеристик и снижении паразитных переотражений, а также в расширении функциональных возможностей путем обеспечения его применения как в качестве полосно-заграждающего, так и в качестве полосно-пропускающего фильтра.
0
0
0
0
0
0
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается в фильтре миллиметрового диапазона на основе резонатора Фабри-Перо для систем бесконтактной диагностики, содержащем закрепленные в диэлектрическом фиксаторе последовательно установленные на расстоянии 1 друг от друга пары соприкасающихся пары пластин из слюды толщиной S с относительной диэлектрической проницаемостью ε, причем параметры фильтра выбирают из условия  где d=d-Δd, d=mλ - для полосно-пропускающего фильтра, 2d=mλ - для полосно-заграждающего,  m - целое число, λ - длина электромагнитной волны в свободном пространстве, λ=λ(ε) - длина электромагнитной волны в слюде.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что расстояние l устанавливают равным 1,46 мм.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что толщину S пластин из слюды устанавливают равной 0,12 мм.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что пластины из слюды выбирают с относительной диэлектрической проницаемостью ε, равной 6
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что число k последовательно установленных пар соприкасающихся пластин выбирают равным 5, а количество резонаторов h равным 4.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что фильтр выполнен с возможностью установки на диэлектрическом штативе для крепления пар пластин и изменения расстояния между ними.
На чертеже представлены:
на фиг. 1 - фильтр миллиметрового диапазона на основе резонатора Фабри-Перо для систем бесконтактной диагностики с диэлектрическим фиксатором и диэлектрическим штативом;
на фиг. 2 - система бесконтактной диагностики для демонстрации примера использования фильтра миллиметрового диапазона на основе резонатора Фабри-Перо.
На чертеже обозначены:
1 - фильтр миллиметрового диапазона на основе резонатора Фабри-Перо;
2 - пара соприкасающихся пластин толщиной S из слюды с относительной диэлектрической проницаемостью ε;
3- резонатор Фабри-Перо;
4 - диэлектрический фиксатор;
5 - диэлектрический штатив для крепления пар пластин с возможностью изменения расстояния;
6 - объект исследований;
7 - диагностическое окно;
8 - линзы;
9 - приемная антенна системы.
Фильтр 1 миллиметрового диапазона на основе резонатора Фабри-Перо для систем бесконтактной диагностики содержит закрепленные в диэлектрическом фиксаторе 4 последовательно установленные на расстоянии l друг от друга пары 2 соприкасающихся пластин из слюды толщиной S с относительной диэлектрической проницаемостью ε, которые образуют резонаторы Фабри-Перо с длиной d.
В частном случае расстояние 1 устанавливают равным 1,46 мм, толщину S пластин из слюды устанавливают равной 0,12 мм, относительную диэлектрическую проницаемость ε устанавливают равной 6, число k последовательно установленных пар соприкасающихся пластин выбирают равным 5 (число резонаторов h=4), а фильтр выполнен с возможностью установки на диэлектрическом штативе для крепления пар пластин с возможностью изменения расстояния между ними.
Пары 2 пластин для образования фильтра располагаются на расстоянии 1. Это расстояние может фиксироваться двумя способами: без возможности изменения (настройки) - с помощью диэлектрических фиксаторов 4, и с возможностью изменения расстояния (управления параметрами и характеристиками фильтра) на штатив 5. Крепление пластин в паре между собой, а также с диэлектрическими фиксаторами и штативом осуществляется с помощью диэлектрического клея.
Работа фильтра происходит следующим образом.
Работа предложенного фильтра основана на свойствах резонатора Фабри-Перо - интерферометра с двумя параллельными слюдяными пластинами (служащими отражателями) без применения на них металлических сеток. Резонансные свойства резонатора-интерферометра Фабри-Перо определяются интерференционными минимумами и максимумами, связанными с длиной его полости d из выражения:
0
1) У полосно-заграждающего фильтра интерференционный минимум для длины волны λ
0
2) У полосно-пропускающего фильтра интерференционный максимум для длины волны λ
0
0
где d - длина резонатора для свободного пространства, m - целое число, а λ длина электромагнитной волны в свободном пространстве. Длина резонатора определяется как
Однако необходимо также учитывать, что резонатор изготавливается из слюды с относительной диэлектрической проницаемостью ε, относительной магнитной проницаемостью μ=1 и толщиной S. Длина электромагнитной волны в слюде составляет
Длину резонатора d следует рассчитывать с учетом длины электромагнитной волны λ в слюде (3):
где Δd -
Тогда расстояние между пластинами в резонаторе определяется из выражения:
Количество резонаторов h в фильтре определяется исходя из требований к добротности фильтра, габаритным размерам и затуханию в полосах пропускания и подавления.
Созданный на основании этих расчетов фильтр может устанавливаться двумя способами:
1) в качестве внешнего устройства в открытые квазиоптические тракты систем бесконтактной диагностики между патрубком (окном) экспериментальной установки и приемной (рупорной/линзовой) антенной системы (пример установки продемонстрирован на фиг. 2);
2) в качестве составного блока в тракте внутри систем диагностики.
0
Работоспособность полосно-заграждающего фильтра проверена при его использовании в качестве внешнего устройства в системе бесконтактной допплеровской СВЧ рефлектометрии горячей плазмы, создаваемой с помощью электронно-циклотронного резонансного нагрева электромагнитным излучением гиротронного комплекса МИГ-3 на частоте  (длина волны λ=4 мм) с мощностью до 600 кВт. Для фильтра были выбраны следующие исходные параметры m=1, n=2, S=0,12 мм, ε=6, k=5, h=4 (коэффициент отражения R≈0,03), получено Δd≈ 0,3 мм, d=1,7 мм и расстояние между пластинами l=1,46 мм.
В таблице представлены рассчитанные параметры и характеристики получаемых устройств для различного количества резонаторов h. В качестве опытного образца для измерения и подтверждения заявленных характеристик использовался полосно-заграждающий фильтр с k=5, h=4, l=1,4. Проведенные измерения позволили получить заявленные характеристики, представленные в таблице ниже.
Таким образом, благодаря введенным усовершенствованиям достигается требуемый технический результат, заключающийся в упрощении конструкции, повышении стабильности характеристик и снижении паразитных переотражений, а также возможности работы в качестве как полосно-заграждающего, так и полосно-пропускающего фильтра.