Радиовизор на основе приемников миллиметрового излучения с пирамидальными рупорными антеннами
RADIOVISOR BASED ON MILLIMETER EMISSION RECEIVERS WITH PYRAMIDAL HORN ANTENNAS

Изобретение относится к технике радиоизмерений, в частности к измерениям интенсивности источников электромагнитного излучения, и может быть использовано для экспрессного исследования пространственного распределения энергии (мощности), излучения линзовых и зеркальных антенн на длинах волн 1-3 мм.
Устройства визуализации служат для анализа импульсного и непрерывного излучения в терагерцовом (ТГц) диапазоне с целью определения размера, конфигурации и пространственного распределения энергии (мощности) излучения. Метрологическое обеспечение современных радиолакационных и телекоммуникационных систем невозможно без контрольно-измерительной аппаратуры. В связи с активным развитием источников терагерцового излучения, становится актуальной задача разработки устройств визуализации и измерения терагерцового излучения, способных функционировать в условиях производственной практики и в полевых условиях, обеспечивающих экспрессный контроль параметров указанного излучения. Отсутствие коммерчески доступных устройств, для визуализации терагерцового излучения, потребовало разработки новых методов их регистрации.
Основными проблемами при разработке устройств визуализации излучения являются: обеспечение высокого уровня чувствительности и ее равномерности по всему полю визуализации, необходимость запоминания информации, малое время записи и стирания информации, обеспечение постоянства чувствительности при изменении температуры окружающей среды.
2
Известно устройство для визуального наблюдения и регистрации электромагнитного излучения, предназначенное для качественного наблюдения и количественных измерений пространственного распределения полей излучения. (Радиовизор - приемник прямого видения ИК-СВЧ излучения с применением кристаллофосфоров / А.П. Бажулин, Е.А. Виноградов, И.А. Ирисова и др. // Труды ФИАН. 1980. Т. 117, С. 121-132). Приемник работает на принципе температурного тушения люминесценции, соответствующего пространственному распределению интенсивности исследуемого поля ИК-СВЧ волн. Локальный нагрев люминесцентного экрана регистрируемым излучением приводит к значительным изменениям интенсивности свечения экрана, вызванного ультрафиолетовым возбуждением (термографический эффект). Наблюдать изображение распределения плотности энергии излучения, падающей на устройство, можно как визуально, так и при помощи фотографирования с последующим фотометрированием или с применением других методов регистрации видимого излучения. Чувствительность экрана определяется характеристиками люминофора и мощностью излучения. Порог визуальной регистрации прибора составляет около 1 мВт/см. На экране радиовизора можно разглядеть детали изображения размером порядка десятых долей миллиметра.
Однако описанное выше устройство обладает низкой чувствительностью в ТГц-диапазоне и малой постоянной времени устройства.
x
Известно устройство визуализации инфракрасного и миллиметрового излучении в диапазоне длин волн 0,4-16,67 мкм и 2-3 мм (патент RU №2687992 МПК G01J 1/02 (2006.01) G01J 5/02 (2006.01) УСТРОЙСТВО ВИЗУАЛИЗАЦИИ ИНФРАКРАСНОГО И МИЛЛИМЕТРОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, Опубликовано: 17.05.2019 Бюл. №14), содержащее плоский корпус с расположенной в нем опорной рамкой в виде двух диэлектрических колец, и имеющий два окна для регистрации излучения, при этом плоский корпус закреплен на держателе со стойкой, между диэлектрическими кольцами размещена диэлектрическая подложка, покрытая структурой из термохромного материала с гистерезисной зависимостью изменения цветовой окраски от температуры, корпус имеет съемную крышку со входным окном, опорная рамка выполнена съемной, диэлектрическая подложка выполненная из слюды, покрыта пленочным поглотителем из сплава нихром (Х20Н80), толщиной 17-23 нм, на другой стороне подложки расположен термохромный слой, исполняемый в виде двух вариантов: из Al-VO или слой из черного красителя - ХЖК.
x
Недостатком устройства является полуколичественная оценка мощности (энергии) визуализируемого излучения по цветовой картине изображения (каждому цвету соответствует определенная величина плотности мощности (энергии) излучения. Для пленочной структуры Al-VO имеет место 3 градации яркости и цветности изображения, а для слоя из холестерического жидкого кристалла соответственно 5 градаций.
Известно устройство визуализации и измерения миллиметрового излучения состоящее из приемника миллиметрового излучения, оптико-механического сканера, интерфейса измерительной системы, программы обработки информации и ноутбука. (А.С. Олейник, В.П. Мещанов, Н.А. Коплевацкий и др. Селективный приемник миллиметрового излучения с пирамидальной рупорной микроантенной // Радиотехника, Т. 83. N7, 2019, С. 38-44).
Сканер обеспечивает перемещение приемника по осям х и у (создает 2D-проекцию распределения интенсивности излучения по сечению радиолуча). Интерфейс измерительной системы выводит измерительную информацию на вход ноутбука, где с помощью программы обеспечивается преобразование значений напряжений измерительных каналов приемника в рельеф столбцов на экране ноутбука (высота каждого столбца соответствует плотности мощности соответствующего измерительного канала). Кроме того осуществляется цветовая кодировка каждого столбца, который соответствует зависимости пороговой чувствительности приемника. Информация в виде числовых значений плотности мощности измерительных каналов приемника выводится параллельно. Таким образом на экране ноутбука имеет место графическая, цифровая и цветовая картина распределения плотности мощности радиолуча в трехмерном измерении (3D-профиль на плоскости приемной площадки приемника).
Основным ограничением применения устройства является время сканирования (формирование теплового поля объекта). Оптико-механические сканеры, в зависимости от времени формирования теплового поля Tn подразделяются: Tn>20с - низкоскоростные, 0,5с<Tn<20с - среднескоростные, Tn<0,5с - высокоскоростные, это ограничивает формирование растра изображения.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является система пассивного радиовидения функционирующая в режиме реального времени. Система состоит из антенного блока, приемной матрицы сенсоров, многоканального блока обработки видео сигналов, АЦП, системы сканирования, устройства термостабилизации, управляющего блока обработки и визуализации радиоизображения (персонального компьютера).
(Гладун В.В., Котов А.В., Криворучко В.И. и др. Система ближнего пассивного радиовидения 3-мм диапазона // Журнал радиоэлектроники, 2010, №7 С. 1-13)
Антенна прибора выполнена из эллиптического зеркала, в ближнем фокусе которого располагается линейка сенсоров. Наблюдаемый объект находится в дальнем фокусе антенны. Сигналы с линейки сенсоров поступают на блок преобразователя, где происходит компьютерная обработка и построение изображения на экране монитора. Оптическая ось антенны отклонена от оси установки на заданный угол. Матрица сенсоров расположена в фокальной плоскости с некоторым смещением относительно оси установки. Такое положение приводит к смещению лучей во втором фокусе относительно оси антенны. Синхронизация сканирования осуществляется качанием зеркала шаговым двигателем. Траектория лучей в сканируемой зоне образует растр изображения. Недостатком системы является необходимость в использовании оптико-механического сканера.
Техническая проблема настоящего изобретения заключается в создании простой, компактной конструкции радиовизора, обеспечивающего визуализацию измерения энергетических параметров миллиметрового излучения и способного функционировать в полевых условиях.
Задачей настоящего изобретения заключается в исключении оптико-механической системы развертки и формирования изображения, упрощении конструкции и возможности ее эксплуатации в полевых условиях.
Сущность изобретения характеризуется тем, что радиовизор на основе приемников миллиметрового излучения с пирамидальными рупорными антеннами состоит из герметичного корпуса с входным окном прозрачным для регистрируемого излучения и съемной задней крышкой, перед окном закреплена диэлектрическая пластина с двухсторонней металлизацией, на лицевой поверхности пластины расположены один или несколько многоэлементных приемников миллиметрового излучения снабженных пирамидальными слабонаправленными рупорными микроантеннами, рупоры микроантенн размещены друг от друга с условием сопряжения их поверхностей объемов пространственных диаграмм направленности в двух перпендикулярных плоскостях электрического Е и магнитного Н векторов на уровне половинной мощности приема излучения, на свободных местах поверхности пластины расположены электронные приборы интерфейса измерительной системы.
Коэффициент направленного действия рупоров находятся в диапазоне 20-5.
Радиовизор может содержать один многоэлементный приемник, снабженный пирамидальной рупорной антенной с коэффициентом направленного действия равным 5.
x
Технический результат базируется на объединении пространственных диаграмм направленности пирамидальных рупорных антенн, что обеспечивает увеличение зоны приема объекта излучения. Внутри волноводов каждой из антенн находится приемная площадка приемника на которой расположены измерительные каналы на основе пленочной структуры Cr-слюда-VO.
Быстродействие и высокая чувствительность радиовизора обусловлены использованием многоэлементных приемников миллиметрового излучения с пирамидальными рупорными антеннами.
Расширение зоны приемы излучения объекта достигается путем использования четного числа рупоров и совмещения их пространственных диаграмм направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях по уровню половинной мощности приема излучения.
Предлагаемое изобретение поясняется иллюстрациями, где:
на фиг. 1 приведена блок-схема радиовизора;
на фиг. 2 показан продольный разрез корпуса радиовизора, соединенного с ноутбуком;
на фиг. 3 приведен корпус многоэлементного приемника с пирамидальной рупорной антенной в разрезе и приемная площадка приемника с измерительными каналами;
на фиг. 4 приведены диаграммы направленности пирамидальных рупорных антенн с коэффициентом усиления в диапазоне 26-2.6;
на фиг. 5 представлена схема установки приемников с пирамидальными рупорными антеннами на диэлектрической пластине внутри корпуса радиовизора.
Позициями 1-10 на чертежах обозначены:
1 - цилиндрический корпус, 2 - прозрачное для регистрируемого излучения окно, 3 - фольгированная диэлектрическая плата, 4 - многоэлементные приемники с рупорными антеннами, 5 - интерфейс измерительной системы, 6 - съемная крышка, 7 - держатель; 8 - СОМ-порт; 9 - стойка; 10 - ПК.
На фиг. 1 приведена блок-схема радиовизора.
2
x
Миллиметровое излучение через прозрачное окно 2 корпуса 1 радиовизора облучает поверхности раскрыва пирамидальных рупорных микроантенн 4. Внутри волноводов рупорных антенн расположены приемные площадки приемников, которые равномерно заполнены измерительными каналами в виде квадратных пикселей размером 0,15×0,15 мм на основе структуры Cr-слюда-VO. Зазоры между каналами равны по размеру измерительным каналам. Интерфейс измерительной системы 5 осуществляет последовательный опрос всех измерительных каналов и передает информацию в персональный компьютер 10. С помощью программы обработки информации на экране ПК выводится графическая, цифровая и цветовая картина распределения плотности мощности (энергии) радиолуча в трехмерном измерении (в виде 3D профиля на плоскости приемной площадки приемника).
На фиг. 2 Продольный разрез корпуса, подключенного к ПК, радиовизора, где 1 - цилиндрический корпус; 2 - прозрачное для излучения окно; 3 - фольгированная диэлектрическая плата; 4 - многоэлементные приемники с рупорными антеннами; 5 - интерфейс измерительной системы; 6 - съемная крышка; 7 - держатель; 8 - СОМ-порт; 9 - стойка; 10 - ПК.
Заявляемое устройство содержит цилиндрический корпус 1, закрытый с лицевой стороны прозрачным для регистрируемого излучения окном 2 и с обратной стороны съемной крышкой 6. Внутри корпуса 1 между окном 2 и крышкой 6 размещена диэлектрическая пластина с двухсторонней металлизацией 3. На поверхности пластины 3 перед окном 2 размещены один или несколько многоэлементных приемников миллиметрового излучения 4 с пирамидальными рупорными антеннами. На свободной поверхности пластины 3 размещены электронные приборы интерфейса измерительной системы 5. Корпус 1 крепится на держателе 7, который соединен со стойкой 9. Внутри держателя 7 расположен СОМ-порт 8, который соединяет корпус радиовизора с ПК 10.
На фиг. 3 Вид приемника в разрезе, сопряженного с пирамидальной рупорной антенной: 11 - основание корпуса; 12 - съемная крышка; 13 - диэлектрическая подложка; 14 - рупорная антенна; 15 - пиксели из Cr; 16 - пиксели из VOx с контактными площадками; 17, 18 - токоведущие выводы; 19 - диэлектрический столбик; 20 - позолоченные выводы.
2
x
x
x
Пирамидальная рупорная микроантенна 14 закреплена в съемной крышке корпуса 12. Внутри основания корпуса 11 расположены диэлектрические столбики 19 на которых закреплена диэлектрическая подложка 13. Внутри волновода пирамидального рупора 14 находится приемная площадка приемника на которой размещены измерительные каналы в виде пикселей 0,15×0,15 мм. Измерительные каналы выполнены из структуры Cr-слюда VO причем пиксели из Cr 15 находятся на лицевой поверхности слюдяной подложки 13, а пиксели из VO 16 на ее обратной стороне. Пиксели VO 16 имеют токоведущие выводы 17, 18. Основание корпуса снабжено позолоченными выводами 20.
2
На фиг. 4 приведены результаты расчета пространственных диаграмм направленности приема излучения пирамидальных рупоров сопряженных с прямоугольным волноводом WR6 (1,6×0,8 мм) на длине волны 2,99 мм по методике работ (Белоцерковский Г.Б. Задачи и расчеты по курсу "Основы радиотехники и антенны", 1966, Москва, Машиностроение, 197 с.; Воскресенский Д.И., Гостюхин В.Л., Максимов В.М., Пономарёв Л.И. Устройства СВЧ и антенны / Под ред. Д.И. Воскресенского. Изд. 2-е, доп. и перераб. - М.: Радиотехника 2006. - 376 с.)
Результаты расчета приведены в таблице 1.
a
1. Определяем площадь раскрыва рупора S
Где G - коэффициент усиления, а' и b' - размеры сторон раскрыва рупора.
2. Определяем размеры сторон раскрыва рупора а' и b'
3. Определим длину рупора на основании
4. Определяем
Расчет диаграмм направленности пирамидальных рупорных атенн с коэффициентом усиления G в диапазоне 26-2.6 приведены в таблице 1.
н
Позициями 1-6, представлены диаграммы направленности приема излучения в зависимости от коэффициента усиления антенны D в диапазоне 26-2,6.
На фиг. 5 Схема расположения приемников с рупорными антеннами внутри корпуса радиовизора, где 2 - окно, 3 - диэлектрическая пластина, 12 - корпус приемника, 14 - пирамидальный рупор, 21 - ДН в плоскости Н, 22 - ДН в плоскости Е.
Приведена схема установки приемников 22 со слабонаправленными пирамидальными антеннами 23 внутри корпуса радиовизора 1. Расстояния между рупорами 23 устанавливают таким образом, чтобы поверхности их пространственных диаграмм в двух перпендикулярных плоскостях электрического 25 и магнитных 24 векторов касались друг друга на уровне половинной мощности приема излучения (при ). Уровень половинной мощности приема излучения определяет расстояние от раскрыва рупора 23 до прозрачного окна 26 корпуса радиовизора 1.
Пример
Радиовизор содержит многоэлементный приемник терагерцового излучения [Пат. RU №2701187, МПК G01J 5/20 Приемник терагерцевого излучения на основе пленки VOx, опубл. 25.09.2019 Бюль. №27]
x
2
2
Разработана конструкция многоэлементного приемника излучения на основе пленочной структуры Cr - слюда - VO включающего 12 измерительных каналов размером 0,15×0,15 мм. Приемная площадка приемника составляет 1,6×0,8 мм, что соответствует размеру широкой и узкой стенкам прямоугольного волновода рупорной микроантенны. Волновод рупорной антенны соприкасается с приемной площадкой приемника, а сам рупор крепится на съемной крышки корпуса приемника. Приемник выполнен в стандартном металлостеклянном корпусе 155.15-2 состоящем из основания ПАЯ 4.880.007 и крышки ПАЯ 7.313007-0 (с отверстием) размером 29,35×19,35×4,4 мм.
Радиовизор обеспечивает экспрессный анализ распределения интенсивности излучения по сечению радиолуча и вывод на экране ПК информации с измерительных каналов приемников в виде столбцов разной высоты и окраски пропорционально энергии (мощности) излучения, с параллельной оцифровкой каждого канала.