СПОСОБ ОТОБРАЖЕНИЯ КАРТИНЫ ПОЛЯ СТОЯЧЕЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ В МНОГОЭЛЕМЕНТНОМ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕ
METHOD OF DISPLAY OF STATIONARY ELECTROMAGNETIC WAVE FIELD PATTERN IN MULTIELEMENT ELECTROACOUSTIC TRANSDUCER

Изобретение относится к технике СВЧ измерений и может быть использовано для контроля согласования электроакустических преобразователей бегущей волны СВЧ диапазона с выходной нагрузкой, определения замедления электромагнитной волны в многоэлементном электроакустическом преобразователе, оценки однородности интенсивности акустического пучка, возбуждаемого преобразователем.
Известен способ отображения картины поля стоячей волны в передающем СВЧ тракте, обусловленной различием волновых сопротивлений передающего тракта и объекта измерения, включающий возбуждение с помощью генератора СВЧ электромагнитного сигнала, подачу этого сигнала через развязывающее устройство на измерительное устройство в виде измерительной линии с подвижным зондом, подключенное к объекту измерения, и регистрацию распределения напряженности электрического поля вдоль измерительного устройства посредством соединенного с зондом детектора с микроамперметром (Чернушенко А.М., Майбородин А.В. Измерение параметров электронных приборов дециметрового и сантиметрового диапазонов волн / Под ред. А.М. Чернушенко М.: Радио и связь, 1986. 336 с.).
Недостатком этого способа, когда в качестве измерительного устройства используется многоэлементный электроакустический преобразователь СВЧ диапазона с целью регистрации распределения электромагнитного поля в нем, из-за малых размеров преобразователей, имеющих обычно длину не более нескольких миллиметров и период следования дискретных элементов от единиц до сотни микрометров, является трудность реализации подвижного зонда с поперечными размерами, равными единицам микрометров, и механизма его точного перемещения вдоль преобразователя с шагом, равным нескольким микрометрам. Кроме того, зонд оказывает влияние на измеряемое электромагнитное поле. В результате точность измерений оказывается невысокой. Электрическое поле в электроакустическом преобразователе практически полностью сосредоточено внутри преобразователя между дискретными электродами и общим земляным электродом, разделенными полуволновым слоем пьезоэлектрика. Поэтому напряженность электрического поля за пределами электроакустического преобразователя очень мала, а чувствительность измерительного прибора оказывается крайне низкой.
Известен также способ отображения картины поля стоячей волны в передающем СВЧ тракте, при котором электромагнитный сигнал от генератора СВЧ через развязывающее устройство подается на многозондовую измерительную линию, а затем для анализа картины распределения поля стоячей волны снимаются данные с N датчиков, расположенных вдоль измерительной линии (авторское свидетельство SU № 1566300, МПК: G01R 27/00, опубл. 23.05.90, Бюл. №19). При использовании этого способа для отображения картины поля в многоэлементных электроакустических преобразователях СВЧ диапазона проявляются такие же недостатки, как и в предыдущем способе: трудность изготовления системы N зондов с поперечными размерами, равными единицам микрометров, и связанная с этим невысокая точность измерений. Также присутствует влияние зондов на измеряемое поле. Чувствительность измерительного прибора из-за низкой концентрации поля вне электроакустического преобразователя также мала.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ, при котором для отображения картины поля в СВЧ тракте, от генератора СВЧ электромагнитный сигнал через развязывающее устройство подается на измерительное устройство в виде отрезка симметричной полосковой измерительной линии, заполненной диэлектриком, обладающим электрооптическим эффектом. Затем от источника оптического когерентного излучения подаются световые лучи на расположенные вдоль измерительной линии оптические датчики, которые при таком способе измерения не вносят неоднородностей в СВЧ тракт, и, следовательно, не искажают электромагнитное поле в процессе измерения. Под воздействием меняющегося вдоль измерительной линии напряжения, световой луч в электрооптическом диэлектрике датчиков меняет свою интенсивность, и в результате на выходе оптических датчиков образуются световые лучи с интенсивностью, соответствующей уровню электромагнитной волны в точке расположения датчика на измерительной линии. После прохождения датчиков, световые лучи подаются на фотоприемники, с которых сигналы направляют на регистрирующее устройство (авторское свидетельство SU № 1741034, МПК: G01N 22/00; G01R 27/26, опубл. 15.06.92, Бюл. №22).
Недостатком указанного способа для отображения картины поля стоячей электромагнитной волны в многоэлементных электроакустических преобразователях является ограниченность его применения. В частности, в преобразователе СВЧ диапазона, нельзя разместить средний электрод симметричной полосковой линии прототипа, необходимый для работы оптических датчиков, не нарушая работоспособности преобразователя. Также не представляется возможным изготовить датчики на основе интерферометров Маха-Цендера в пьезоактивном слое толщиной 1 мкм и менее с периодом следования датчиков 100 мкм и меньше. Кроме того, даже если бы это было возможно, то любое техническое решение, связанное с введением оптических датчиков в электроакустический преобразователь (элементы ввода двух лучей света лазера, проходящих через поперечное сечение пьезоактивной пленки толщиной порядка 1 мкм, разветвители света и дополнительные электроды), будет приводить к изменению его электродинамических характеристик и искажению картины поля электромагнитной волны в нем.
Задача изобретения заключается в создании возможности отображения картины поля стоячей электромагнитной волны в нанесённом на кристаллический образец многоэлементном электроакустическом преобразователе любой конструкции посредством самого преобразователя без его изменения (путем создания устройства, реализующего заявляемый способ) и улучшения параметров преобразователя и устройств, в которых предполагается его использование (после анализа этой картины).
Поставленная задача достигается тем, что электромагнитный сигнал от генератора СВЧ через развязывающее устройство подают на многоэлементный электроакустический преобразователь, нанесенный на кристаллический образец, посредством многоэлементного электроакустического преобразователя возбуждают упругие волны в кристаллическом образце, акустически соединенном с фотоупругой средой, обладающей высоким коэффициентом акустооптического качества и малым затуханием упругих волн, направляют эти волны через место соединения кристаллического образца с фотоупругой средой в фотоупругую среду, фотоупругую среду освещают пучком света необходимой поляризации от лазера, направляя его на возбужденные отдельными элементами многоэлементного электроакустического преобразователя упругие волны под углом Брэгга, и затем регистрируют картину распределения интенсивности света, дифрагированного на упругих волнах.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами: фиг.1 - схема установки, позволяющая реализовать предлагаемый способ отображения картины распределения электромагнитного поля в многоэлементном электроакустическом преобразователе, фиг.2 - зарегистрированная на экране картина распределения интенсивности дифрагированного света при отсутствии на выходе многоэлементного электроакустического преобразователя согласующей нагрузки, фиг.3 - картина распределения интенсивности дифрагированного света для многоэлементного электроакустического преобразователя с обладающей активным сопротивлением 50 Ом нагрузкой на выходе.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - вход многоэлементного электроакустического преобразователя, 2 - многоэлементный электроакустический преобразователь, 3 - выход многоэлементного электроакустического преобразователя, 4 - кристаллический образец, 5 - фотоупругая среда, 6 - упругие волны, 7 - место соединения кристаллического образца с фотоупругой средой, 8 - падающий коллимированный пучок света от лазера, 9 - лучи света, дифрагированные на упругих волнах 6, возбужденных отдельными элементами многоэлементного электроакустического преобразователя, 10 - линейка фотоприемников.
2
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. На вход 1 многоэлементного электроакустического преобразователя 2 подают от генератора СВЧ электромагнитный сигнал через развязывающее устройство, например ферритовый вентиль. Многоэлементный электроакустический преобразователь бегущей волны как электродинамическая система, осуществляющая преобразование энергии электромагнитной волны в акустическую энергию при распространении электромагнитной волны вдоль многоэлементного электроакустического преобразователя 2, обладает комплексным волновым сопротивлением. Поскольку на выходе 3 многоэлементного электроакустического преобразователя 2 из-за его ограниченной протяженности энергия электромагнитной волны не равна нулю, то при несовпадении волнового сопротивления многоэлементного электроакустического преобразователя с сопротивлением согласующей нагрузки или при ее отсутствии в многоэлементном электроакустическом преобразователе 2 образуется стоячая электромагнитная волна. Каждый отдельный элемент многоэлементного электроакустического преобразователя 2 возбуждает в кристаллическом образце 4 упругую волну, амплитуда которой пропорциональна напряженности электрического поля на этом элементе преобразователя. Кристаллический образец 4 акустически соединен с фотоупругой средой 5, обладающей высоким коэффициентом акустооптического качества М и малым затуханием упругих волн на частотах измерения. Упругие волны, возбужденные в кристаллическом образце 4 отдельными элементами многоэлементного электроакустического преобразователя 2, проходят место соединения 7 кристаллического образца 4 с фотоупругой средой 5 и далее распространяются в этой среде. Фотоупругую среду 5 освещают пучком света 8 необходимой поляризации от лазера, направляя его на упругие волны 6 в фотоупругой среде 5 под углом Брэгга. И обеспечивают, таким образом, оптимальные с точки зрения акустооптического взаимодействия условия для наблюдения дифрагированного на упругих волнах 6 света максимальной интенсивности. В результате акустооптического взаимодействия падающего пучка света 8 с упругими волнами 6, возбужденными отдельными элементами многоэлементного электроакустического преобразователя 2, образуются лучи света 9, число которых равно числу элементов многоэлементного электроакустического преобразователя 2. Лучи света 9 падают на расположенную с противоположной лазеру стороны фотоупругой среды 5 линейку фотоприемников 10, ПЗС матрицу или экран, и образуют дискретную картину световых пятен. Поскольку, как известно, интенсивность дифрагированного света пропорциональна интенсивности упругих волн 6, которая в свою очередь пропорциональна интенсивности стоячей электромагнитной волны в данной точке преобразователя, то распределение интенсивностей световых пятен отображает картину электромагнитного поля в многоэлементном электроакустическом преобразователе 2.
Для экспериментальной проверки предлагаемого способа была собрана установка по схеме, изображенной на фиг.1. В качестве многоэлементного электроакустического преобразователя взят многоэлементный спиральный преобразователь на основе оксида цинка (ZnO) толщиной 1,5 мкм, состоящий из 15 элементов с размерами электродов
'У
2
<mi>α</mi>
2
3
3
600x90 мкм , расположенных с периодом 220 мкм. Преобразователь располагался на кристалле сапфира (
-АlО). Фотоупругой средой служил кристалл ниобата лития (LiNbO), который посредством оптического клея соединялся с кристаллом сапфира. Электромагнитный сигнал частотой 1,2 ГГц от генератора СВЧ через ферритовый вентиль подавался на вход преобразователя. Кристалл ниобата лития освещался коллимированным пучком света от гелий-неонового лазера с длиной волны 632,8 нм. Поворачивая световой пучок в плоскости распространения упругих волн в кристалле ниобата лития, добивались выполнения условия Брэгга для эффективного акустооптического взаимодействия, при соблюдении которого интенсивность дифрагированного света оказывалась максимальной. Полученная картина распределения интенсивности дифрагированного света для многоэлементного электроакустического преобразователя в отсутствие согласующей нагрузки на его выходе показана на фиг.2. Аналогичная картина для преобразователя с согласующей нагрузкой, обладающей активным сопротивлением 50 Ом, изображена на фиг.3. Как видно, несовпадение волнового сопротивления многоэлементного электроакустического преобразователя бегущей волны, которое имеет комплексный характер, с активным сопротивлением нагрузки, не позволило полностью избежать режима стоячей электромагнитной волны в преобразователе.