Индикатор интенсивности субмиллиметровых электромагнитных волн

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к области контроля электромагнитной обстановки и может быть использована для исследования электромагнитных излучений в терагерцовом диапазоне и оценки интенсивности контролируемых частотных составляющих электромагнитного поля в этом диапазоне.
Известно, что терагерцовый диапазон частот электромагнитного поля лежит в спектре децимиллиметровых волн (длина волны 0,1-1 мм). В соответствии с ГОСТ 24375-80 (Государственный комитет СССР по стандартам. «Радиосвязь. Термины и определения», 1980. - С. 4, 10) и рекомендациями Международного союза электросвязи (Международный союз электросвязи. Рек. МСЭ-R V.431-8 «Номенклатура диапазонов частот и длин волн, используемых в электросвязи», 2015. - С. 1-3), терагерцовый диапазон определяется как диапазон гипервысоких частот (ГВЧ) от 300 ГГц до 3 ТГц. Терагерцовое излучение является легко фокусируемым и обладает хорошей проникающей способностью для целого ряда промышленных материалов, что обеспечивает возможность его широкого применения для терагерцовой спектроскопии и неразрушающей диагностики оптически непрозрачных объектов. В отличие от рентгеновского, терагерцовое излучение оказывает менее вредное воздействие на биологические объекты. Кроме этого, активно внедряются технологии беспроводной передачи информации, анализа химического состава пищевой продукции и выявления заболеваний или функциональных нарушений в живых организмах, основанные на применении электромагнитных излучений терагерцового диапазона, что в совокупности повышает актуальность оценки электромагнитной обстановки в этом частотном диапазоне.
Известно устройство для измерения интенсивности терагерцового излучения, содержащее детектирующий элемент, основанный на матричной структуре с ячейками Голея, представляющими собой полые цилиндры, наполненные газом с низкой теплопроводностью, в которые помещены поглощающие элементы, изготовленные из ультратонкого с толщиной более чем в 50 раз меньшей длины волны терагерцового излучения резонансного слоя с высокоимпедансной поверхностью, обладающего высоким коэффициентом поглощения терагерцового излучения. Цилиндры ячеек Голея закрыты с одной стороны прозрачным для излучения входным окном, а с другой - гибкой мембраной, покрытой с внешней стороны оптически отражающим слоем. При этом посредством кремниевой ПЗС-матрицы регистрируемое пространственное изменение интенсивности терагерцового излучения через контроллер в цифровом виде передается на ПЭВМ (патент RU 2414688, МПК G01J 5/42 (2006.01), опубл. 20.03.2011).
Недостатками данного устройства являются: низкое быстродействие измерений, обусловленное медленным нагревом газа в результате его низкой теплопроводности; недостаточно высокая точность измерений, поскольку не учитываются тепловые помехи при изменении температурных условий эксплуатации; технологическая сложность изготовления резонансного слоя поглощающего элемента, толщина которого должна составлять как минимум 0,6-20 мкм.
Известно устройство контроля электромагнитных излучений терагерцового диапазона, содержащее детектирующий элемент, размещенный в вакуумированном экранированном контейнере с прозрачным для данного частотного диапазона окном. Детектирующий элемент выполнен в виде непрозрачной для излучения тонкой металлической пленки на оптической теплоизолирующей подложке, на поверхность которой нанесен диэлектрический слой заданной толщины. Расположенная под окном поверхность пленки имеет освещаемый принимаемым излучением гофрированный участок протяженностью, равной длине распространения возбуждаемой в пленке поверхностной электромагнитной волны. Для регистрации электрического сопротивления металлической пленки к связанным с ней электрическим контактам подключено измерительное устройство, например, мостовая схема (патент RU 2325729, МПК H01L 31/00 (2006.01), G01J 5/20 (2006.01), опубл. 27.05.2008).
Основными недостатками данного устройства являются низкое быстродействие контроля электромагнитных сигналов терагерцового диапазона, связанное с необходимостью регистрации электрического сопротивления пленки при возникновении тепловых потерь поверхностной электромагнитной волны в металле; недостаточно высокая точность измерений, вызванная непостоянными потерями на поглощение электромагнитного излучения в его окне, потерями терагерцового излучения на поглощение и отражение в металлической пленке и диэлектрическом слое, неизбежными тепловыми потерями на теплопередачу и электромагнитное излучение во внешнюю среду.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к предлагаемой полезной модели по максимальному количеству сходных признаков и достигаемому результату является устройство контроля электромагнитных излучений терагерцового диапазона, содержащее детектирующий элемент, в качестве которого использована фотопроводящая антенна, размещенные в экранированном корпусе синхронный усилитель и микропроцессор со встроенным аналого-цифровым преобразователем, а также источник питания, терагерцовый полосовой резонансный фильтр, предназначенный для передачи контролируемого электромагнитного сигнала на фотопроводящую антенну, у которой вход соединен оптоволоконным кабелем с выходом установки фемтосекундного лазера. Для отображения регистрируемого изменения интенсивности терагерцового излучения микропроцессор соединен с установкой фемтосекундного лазера, модулем TFT-дисплея и портативным персональным компьютером (патент RU 2737678, МПК H01L 31/00 (2006.01), G01J 5/20 (2006.01), опубл. 02.12.2020).
Основными недостатками данного устройства являются низкий предел измерения, связанный с отсутствием возможности регулирования оптической накачки фотопроводяшей антенны и соответственно интенсивности излучения установки фемтосекундного лазера; сравнительно невысокая точность измерений, вызванная наличием множества соединительных линий между отдельными элементами устройства и влиянием внешних электромагнитных полей и излучений на модуль TFT-дисплея и контроллер питания.
В основе полезной модели лежит техническая проблема, заключающаяся в необходимости создания индикатора интенсивности субмиллиметровых электромагнитных волн, позволяющего в широком пределе и с более высокой точностью измерять электромагнитные сигналы терагерцового диапазона.
Решение данной технической проблемы достигается тем, что индикатор интенсивности субмиллиметровых электромагнитных волн, содержащий детектирующий элемент, размещенный вместе с синхронным усилителем и микропроцессором со встроенным аналого-цифровым преобразователем в экранированном корпусе, терагерцовый полосовой резонансный фильтр, в качестве которого использована фотопроводящая антенна, у которой вход соединен оптоволоконным кабелем с выходом установки фемтосекундного лазера, а выход согласно полезной модели является первым входом синхронного усилителя, снабжен микропроцессором, выходы которого соединены с первым входом установки фемтосекундного лазера и выходом модуля TFT-дисплея через шину интерфейса UART, встроенным в микропроцессор аналого-цифровым преобразователем, вход которого связан с выходом синхронного усилителя, источником питания, выход которого согласно полезной модели является входом контроллера питания, а выходы которого соединены со вторым входом синхронного усилителя, входом микропроцессора, входом модуля TFT-дисплея и вторым входом установки фемтосекундного лазера, а также согласно полезной модели включает перестраиваемый оптический аттенюатор, предназначенный совместно с микропроцессором для дифференциального регулирования интенсивности сигнала от установки фемтосекундного лазера и оптической накачки фотопроводящей антенны. При этом в экранированном корпусе дополнительно размещены модуль TFT-дисплея, источник питания, контроллер питания и перестраиваемый оптический аттенюатор.
Расширение предела измерений обусловлено введением между установкой фемтосекундного лазера и фотопроводящей антенной перестраиваемого оптического аттенюатора, позволяющего совместно с микропроцессором дифференциально регулировать интенсивность сигнала от установки фемтосекундного лазера и оптическую накачку фотопроводящей антенны.
Более высокая точность измерения электромагнитных сигналов терагерцового диапазона достигается за счет экранирования модуля TFT-дисплея, контроллера питания и перестраиваемого оптического аттенюатора, а также объединения выхода фотопроводящей антенны с первым входом синхронного усилителя, выхода источника питания с входом контроллера питания, выхода фотопроводящей антенны с первым входом синхронного усилителя.
На приведенном чертеже (фиг. 1) представлена функциональная схема индикатора интенсивности субмиллиметровых электромагнитных волн.
Индикатор интенсивности субмиллиметровых электромагнитных волн содержит детектирующий элемент, в качестве которого использована фотопроводящая антенна, размещенный в экранированном корпусе, терагерцовый полосовой резонансный фильтр, предназначенный для передачи контролируемого электромагнитного сигнала на фотопроводящую антенну, у которой вход соединен через оптоволоконный кабель и перестраиваемый оптический аттенюатор с выходом установки фемтосекундного лазера, а выход является первым входом синхронного усилителя, микропроцессор, выходы которого соединены с первым входом установки фемтосекундного лазера и выходом модуля TFT-дисплея через шину интерфейса UART, встроенный в микропроцессор аналого-цифровой преобразователь, вход которого связан с выходом синхронного усилителя, источник питания, выход которого является входом контроллера питания, выходы которого соединены со вторым входом синхронного усилителя, входом микропроцессора, входом модуля TFT-дисплея и вторым входом установки фемтосекундного лазера. При этом в экранированном корпусе дополнительно размещены синхронный усилитель, микропроцессор со встроенным аналого-цифровым преобразователем, модуль TFT-дисплея, источник питания, контроллер питания и перестраиваемый оптический аттенюатор.
Через терагерцовый полосовой резонансный фильтр 1 индикатора интенсивности субмиллиметровых электромагнитных волн измеряемый электромагнитный сигнал поступает на фотопроводящую антенну 2, выход которой является первым входом синхронного усилителя 3. Для оптической накачки фотопроводящей антенны 2 использована установка фемтосекундного лазера 4, выход которой соединен с первым входом перестраиваемого оптического аттенюатора 5, выход которого соединен с входом фотопроводящей антенны 2 с помощью оптоволоконного кабеля 6. Для дифференциального регулирования установкой фемтосекундного лазера 4 использован микропроцессор 7, выходы которого соединены с первым входом установки фемтосекундного лазера 4 через шину 8 интерфейса UART и вторым входом перестраиваемого оптического аттенюатора 5. Выход синхронного усилителя 3 соединен с входом 12-битного аналого-цифрового преобразователя 9 с частотой дискретизации до 2 млн. измерений в секунду, встроенного в микропроцессор 7, выходы которого соединены с выходом модуля TFT-дисплея 10 через шину 8 интерфейса UART для вывода информации в графической форме.
Питание подается на третий вход перестраиваемого оптического аттенюатора 5, второй вход синхронного усилителя 3, вход микропроцессора 7, вход модуля TFT-дисплея 10 и второй вход установки фемтосекундного лазера 4 через выходы контроллера питания 11, вход которого является выходом источника питания 12.
Фотопроводящая антенна 2, синхронный усилитель 3 и микропроцессор 7 со встроенным аналого-цифровым преобразователем 9, модуль TFT-дисплея 10, контроллер питания 11, источник питания 12 и перестраиваемый оптический аттенюатор 5 размещены на одной печатной плате, закрепленной на внутренней стенке экранированного корпуса 13 посредством винтовых соединений. При этом терагерцовый полосовой резонансный фильтр 1 установлен в посадочное место на экранированном корпусе 13, расположенное над фотопроводящей антенной 2, а установка фемтосекундного лазера 4 соединена с внешней стенкой экранированного корпуса 13 посредством болтовых соединений. Для обеспечения возможности визуального контроля терагерцового излучения на внешней стенке экранированного корпуса дополнительно вводится смотровое окно, выполненное из прозрачного экранирующего материала и расположенное напротив TFT-дисплея.
Индикатор интенсивности субмиллиметровых электромагнитных волн работает следующим образом.
Источник питания 12 через контроллер питания 11 создает разность потенциалов на синхронном усилителе 3, микропроцессоре 7, модуле TFT-дисплея 10, установке фемтосекундного лазера 4 и перестраиваемом оптическом аттенюаторе 5. Измеряемый электромагнитный сигнал проходит через терагерцовый полосовой резонансный фильтр 1 и поступает на фотопроводящую антенну 2, где, взаимодействуя со свободными носителями заряда в фотопроводящей подложке антенны 2, созданными установкой фемтосекундного лазера 4, создает смещение напряжения на выходе фотопроводящей антенны 2 и преобразуется в электрический сигнал. Сигнал с фотопроводящей антенны 2 поступает в синхронный усилитель 3, где усиливается и передается на встроенный в микропроцессор 7 аналого-цифровой преобразователь 9. В аналого-цифровом преобразователе 9 усиленный электрический сигнал преобразуется в цифровой сигнал, значения которого кодируются 12 битами. Далее цифровой сигнал обрабатывается микропроцессором 7 и передается в модуль TFT-дисплея 10, где полученный сигнал представляется в графической форме.
Оптическая накачка фотопроводящей антенны 2 выполняется с помощью установки фемтосекундного лазера 4, соединенной с фотопроводящей антенной 2 через оптоволоконный кабель 6 и перестраиваемый оптический аттенюатор 5. Дифференциальное регулирование установкой фемтосекундного лазера 4 реализуется с помощью микропроцессора 7, соединенного с установкой фемтосекундного лазера 4 через шину 8 интерфейса UART.
Технико-экономическая эффективность предлагаемой полезной модели выражается в создании индикатора, позволяющего в повышенном пределе и с более высокой точностью измерять электромагнитные сигналы терагерцового диапазона.