Радиовизор на основе приемников миллиметрового излучения с мезоразмерными диэлектрическими антеннами
RADIOVISOR BASED ON MILLIMETRE EMISSION RECEIVERS WITH MESOSCALE DIELECTRIC 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 КВЧ диапазоне с целью определения размера, конфигурации и пространственного распределения энергии (мощности) излучения. Метрологическое обеспечение современных радиолокационных 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.
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 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 КВЧ-диапазоне и малой постоянной времени устройства.
x
Известно устройство визуализации инфракрасного и миллиметрового излучения в диапазоне длин волн 0,4-16,67 мкм и 2-3 мм [патент РФ 2687992, Устройство визуализации инфракрасного и миллиметрового излучения], 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-VOили 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-VOимеет 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).
n,
n
n
n
Основным ограничением применения устройства является время сканирования (формирование теплового поля объекта) и сложность сканирующего устройства. Оптико-механические сканеры, в зависимости от времени формирования теплового поля T подразделяются: T>20с – низкоскоростные, 0,5с<T<20с – среднескоростные, T<0,5с – высокоскоростные, это ограничивает формирование растра изображения.
Известна система пассивного радиовидения, функционирующая в режиме реального времени [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]. 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).
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.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению и принятый за прототип является радиовизор на основе приемников миллиметрового излучения с пирамидальными рупорными антеннами [патент РФ 2757359].
Радиовизор на основе приемников миллиметрового излучения с пирамидальными рупорными антеннами, состоит из многоэлементного приемника миллиметрового излучения, состоящего из герметичного корпуса, закрытого с лицевой стороны прозрачным для регистрируемого излучения окном, а с обратной стороны съемной крышкой, внутри корпуса между окном и съемной крышкой расположена фольгированная с двух сторон диэлектрическая пластина, на которой расположены многоэлементные тепловые приемники, выполненные в металлостеклянных корпусах, в крышках корпусов размещены пирамидальные слабонаправленные рупорные антенны, пирамидальные рупоры установлены между собой с учетом соприкосновения поверхностей объемов их диаграмм направленности в двух перпендикулярных плоскостях электрического и магнитного векторов по уровню половиной мощности приема излучения, на верхней и нижней частях пластины расположены электронные приборы интерфейса измерительной системы, интерфейса измерительной системы и персонального компьютера.
Недостатком радиовизора является низкая чувствительность приемного устройства и сложность изготовления и крепления микрорупоров.
Техническая проблема настоящего изобретения заключается в создании простой, компактной высокочувствительной конструкции радиовизора, обеспечивающего визуализацию измерения энергетических параметров миллиметрового излучения.
Задача настоящего изобретения заключается в повышении чувствительности устройства, исключения из конструкции радиовизора металлических рупорных микроантенн.
Сущность изобретения характеризуется тем, что радиовизор на основе приемников миллиметрового излучения с мезоразмерными диэлектрическими 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, интерфейса измерительной системы, персонального компьютера, а антенны 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. Новым является то, что приемники излучения снабжены мезоразмерными диэлектрическими слабонаправленными антеннами, с характерным размером не менее λ/2, формирующими и направляющими тераструи на чувствительный элемент приемника электромагнитного излучения, где λ – длина волны излучения в свободном пространстве и коэффициентом преломления диэлектрического материала, лежащего в диапазоне от 1,2 до 2.
Технический результат базируется на обеспечении более высокой чувствительности приемника миллиметрового и терагерцового излучения, по сравнению с приемником с эквивалентной рупорной антенной.
Предлагаемое изобретение поясняется иллюстрациями, где:
На фиг. 1 приведен корпус многоэлементного приемника с мезоразмерной диэлектрической антенной в разрезе и приемная площадка приемника с измерительными каналами.
На фиг. 2 приведены примеры мезоразмерных диэлектрических антенн, формирующих терастую с различной формой поверхности: а – сфера, в – усеченный конус, с – конус, d – усеченный конус-полусфера, е – кубоид.
На фиг. 3 показан продольный разрез корпуса радиовизора, соединенного с ноутбуком.
x
Обозначения: 1 – мезоразмерная диэлектрическая антенна, 2 – пиксели из Cr, 3 – диэлектрическая подложка, 4, 5 – токоведущие выводы, 6 – пиксели из VO с контактными площадками, 7 – диэлектрический столбик, 8 – основание корпуса, 9 – позолоченные выводы, 10 – съемная крышка, 11 – цилиндрический корпус, 12 – прозрачное для излучения окно; 13 – многоэлементные приемники с мезоразмерными диэлектрическими антеннами; 14 – интерфейс измерительной системы; 15 – СОМ-порт, 16 – стойка, 17 – ПК.
Заявляемое устройство содержит цилиндрический корпус 11, закрытый с лицевой стороны прозрачным для регистрируемого излучения окном 12. Внутри корпуса 11 за окном 12 размещены один или несколько многоэлементных приемников миллиметрового излучения 13 с мезоразмерными диэлектрическими антеннами 1. На свободной поверхности многоэлементных приемников миллиметрового излучения размещены электронные приборы интерфейса измерительной системы 14. Корпус 11 соединен со стойкой 16, где расположен СОМ-порт 15, который соединяет корпус радиовизора с ПК 17.
x
x
x
Мезоразмерная диэлектрическая антенна 1 закреплена в съемной крышке корпуса 10. Внутри основания корпуса 8 расположены диэлектрические столбики 7 на которых закреплена диэлектрическая подложка 3. Непосредственно на теневой поверхности мезоразмерной диэлектрической поверхности антенны 1 находится приемная площадка приемника на которой размещены измерительные каналы в виде пикселей 2. Измерительные каналы выполнены из структуры Cr-слюда VOпричем пиксели из Cr 15 находятся на лицевой поверхности слюдяной подложки 3, а пиксели из VO6 на ее обратной стороне. Пиксели VO6 имеют токоведущие выводы 4, 5. Основание корпуса снабжено позолоченными выводами 9.
Устройство работает следующим образом. Падающее электромагнитное излучение миллиметрового или терагерцового диапазона длин волн освещает мезоразмерную диэлектрическую антенну 1, которая фокусирует в фокальную область – тераструю. Расположенной на своей теневой поверхности, на которой размещены приемная площадка приемника с измерительными каналами.
Тераструя в терагерцовом или КВЧ диапазоне [Pacheco-Peña V, Beruete M, Minin I V, et al. Terajets produced by dielectric cuboids // Applied Physics Letters, 2014, 105(8): 084102; Minin I V, Minin O V, Pacheco-Peña V, et al. All-dielectric periodic terajet waveguide using an array of coupled cuboids // Applied Physics Letters, 2015, 106(25): 254102; Cruz A L S, Cordeiro C M B, Franco M A R. Enhanced Terahertz transmission through 3D non-spherical terajets // Proceedings of SPIE, 2015, 9634: 963412; Zhichao Yang, Qingshan Qu, Menghan Yang, Bin Cui, Zhenwei Zhang, Yuping Yang. Propagation characteristics of high-throughput terajet beam and its super Resolution THz imaging // 2019 44th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 19080016, DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2019.8874459; И.В. Минин, O.B. Минин Квазиоптика: современные тенденции развития - Новосибирск: СГУГиТ, 2015, 163 с.] возникает в области теневой поверхности диэлектрических частиц, непосредственно у границы раздела диэлектрик – внешняя среда и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью электромагнитного поля в области фокусировки, при этом достижимо пространственное разрешение ниже дифракционного предела. Поперечные размеры области фокусировки достигают размера порядка λ/3-λ/4 непосредственно за устройством формирующего тераструю. Мезоразмерные диэлектрические антенны могут иметь различную форму поверхности: сферическую, кубоидную, пирамидальную и т.д.
В результате экспериментальных исследований было установлено, что мезомасштабная диэлектрическая кубовидная антенна выполненная из фторопласта, по сравнению с рупорной антенной тех же размеров, имеет коэффициент усиления антенны 14,22 дБ и, что на 1,9 дБ выше, чем у рупорной антенны с теми же размерами. Исследование проводилось на частоте 300 ГГц. Экспериментальная проверка проводилась с диэлектрическим кубоидом с размерами 1,2λх1,2λх1,36λ. Полная ширина при половинном максимуме (FWHM) диаграммы направленности были примерно на 21 % и 34 % уже, чем у рупорной антенны в плоскости Е и Н соответственно. Частотная характеристика повышения чувствительности с использованием мезоразмерной диэлектрической частицей в качестве приемной антенны показывает, что такая антенна является нерезонансной с широкой полосой пропускания.
Таким образом, установлено, что мезоразмерная диэлектрическая антенна имеет больший коэффициент усиления, чем эквивалентный рупор.
При характерном размере мезоразмерной диэлектрической антенны менее λ/2 тераструя не формируется.
При коэффициенте преломления диэлектрического материала мезоразмерной диэлектрической антенны, формирующей тераструю менее 1,2, формируемая тераструя не обеспечивает эффективной концентрации электромагнитного излучения и при примерно более 2, тераструя формируется внутри мезоразмерной диэлектрической антенны, не обеспечивая увеличения сигнала на приемном устройстве.
Мезоразмерные диэлектрические антенны могут изготавливаться из диэлектриков с коэффициентом преломления лежащего в диапазоне от 1,2 до примерно 2, таких как, например [О.V. Minin, I.V. Minin. Difrractional Optics of Millimetre Waves - IoP, Bristol and Philadelphia, 2004, 396p., pp. 369-373]: полистирол, акрил, полиэтилен, полипропилен, поли-4-метилпентен, фторопласт, плавленый кварц, лавсан и из полупроводниковых материалов, например, кремния, германия, арсенида галлия и других материалов.
Изготовить матрицу мезоразмерных диэлектрических антенн можно, например, методом печати на 3D принтере [Kyoung Youl Park, Nophadon Wiwatcharagoses, Premjeet Chahal. Wafer-level Integration of Micro-Lens for THz Focal Plane Array Application // Electronic Components & Technology Conference, 2013, pp. 1912-1919] используя термопластичные материалы, такие как, например, полиэтилен, акрил и т.д. Например, акрил в диапазоне частот от 0,1 до 0,8 ТГц имеет коэффициент преломления 1,65-1,68 и малые потери электромагнитной энергии в материале (тангенс угла потерь изменяется от 0,012 до 0,05).
Радиовизор обеспечивает экспрессный анализ распределения интенсивности излучения по сечению радиолуча с высокой чувствительностью.