УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ СВЧ В ПРОСТРАНСТВЕ
APPARATUS FOR IMAGING MICROWAVE ELECTRIC FIELDS IN SPACE

Изобретение относится к области визуализации распределения в пространстве электрических полей СВЧ диапазона, что может быть использовано при разработке антенн и прочих устройств, взаимодействующих в пространстве с электрическими полями высокой частоты.
Известны работы в зарубежной научной литературе, в которых описывается получение картин пространственного распределения электрического поля СВЧ вокруг различных изучаемых изделий при помощи системы из двух плоских параллельно расположенных металлических листов, в зазоре между которыми располагаются устройство для подачи СВЧ мощности, перемещаемая зондирующая антенна и исследуемое изделие-образец [1]-[3].
При формировании картин СВЧ поля авторы используют перемещающуюся в пространстве антенну-зонд, сигнал с которой направляется на векторный анализатор цепей (ВАЦ), фиксирующий амплитуду и фазу СВЧ сигнала в каждой точке пространства, где производятся измерения. Далее при помощи компьютерной программы эти результаты преобразуются в цветное изображение (в условных цветах), где каждый цвет соответствует величине напряженности электрического поля СВЧ в данной точке картины поля.
При этом авторы [«Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies», D. Schurig, J.J. Mock, B.J. Justice, S.A. Cummer, J.B. Pendry, A.F. Starr, D.R. Smith, Science, V.314, 2006, p.977-980.] используют алюминиевые листы и куски материала-поглотителя СВЧ для формирования измерительной камеры - «пластинчатого волновода» («parallel plate waveguide»), в котором размещается исследуемый объект и производятся измерения, а также конец коаксиального кабеля, вставленный в сквозное отверстие в верхнем алюминиевом листе и образующий поверхностью среза одно целое с внутренней (нижней) поверхностью верхнего алюминиевого листа, в качестве измерительной антенны-зонда.
Перемещение зондирующей антенны производится при помощи «X-Y - робота», как его называют авторы публикаций [«Focusing by planoconcave lens using negative refraction», P. Vodo, P.V. Parimi, W.T. Lu, S. Sridhar, Applied Physics Letters, V.86, 201108, 2005, 3 р.] и [«Negative Refraction and Left-Handed Electro-magnetism in Microwave Photonic Crystals», P.V. Parimi, W.T. Lu, P. Vodo, J. Sokoloff, J.S. Derov, S.Sridhar, Physical Review Letters, V.92, N.12, 2004, p.127401-1-127401-4.]. Такой «робот» позволяет перемещать антенну-зонд в двух взаимно перпендикулярных направлениях по задаваемой ему перед началом измерительного процесса программе. Однако, нигде в статьях не раскрываются подробности устройства и принцип действия такого «робота».
В одной из работ [«Microwave photonic crystal with tailor-made negative refractive index», P. Vodo, P.V. Parimi, W.T. Lu, S. Sridhar, R. Wing, Applied Physics Letters, V.85, N.10, 2004, p.1858-1860.] антенна-зонд перемещается по дуге окружности, подобно гониометру, снимая значения амплитуды и фазы СВЧ сигнала лишь в зависимости от угла, при постоянном значении радиуса такой дуги, что не дает возможности получать картины пространственного распределения СВЧ поля. Также в этой работе в качестве измерительной камеры используется безэховая камера больших размеров (5х8х4 метров).
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в создании устройства для получения в условных цветах картин пространственного распределения напряженности электрического поля СВЧ вокруг исследуемого изделия в полярных координатах, с задаваемым перед началом измерительного процесса шагом.
Для достижения указанного технического результата устройство для визуализации электрических полей СВЧ в пространстве содержит измерительную камеру «открытого» типа из двух расположенных горизонтально параллельных медных дисков, плоский прямоугольный латунный рупор, антенну-зонд из тонкого полужесткого коаксиального кабеля, с выступающим на конце центральным проводником, загнутым вверх под прямым углом, и перемещающуюся при помощи двух шаговых двигателей, управляемых компьютерной программой, как по дуге окружности, так и по ее радиусу, опорный канал, включенный параллельно измерительному при помощи двух делителей СВЧ мощности, а также векторный анализатор цепей (ВАЦ), соединенный с компьютером, на экране которого формируется цветное изображение электрической составляющей СВЧ электромагнитного поля в пространстве вокруг исследуемого образца.
Таким образом, данное измерительное устройство позволяет видеть на экране компьютера пространственную картину величины СВЧ поля в окружающем исследуемое изделие пространстве, отображаемую в условных цветах с некоторым заданным шагом, величину которого можно изменять при каждом измерении в некотором интервале.
Характерными признаками предлагаемого устройства для визуализации СВЧ электрических полей в пространстве являются измерительная камера «открытого» типа, изготовленная из двух плоскопараллельных медных дисков, расположенных горизонтально, и плоский прямоугольный латунный рупор для подачи СВЧ мощности в измерительную камеру, а также применение чувствительной измерительной аппаратуры (ВАЦ), что позволяет использовать малые мощности СВЧ сигнала для получения картин поля вокруг исследуемых изделий и дает возможность изготовить измерительную камеру «открытой» (без применения поглощающего СВЧ материала) без всякого вреда, как для измерительного процесса (нет отражения от стен помещения и окружающих предметов), так и для здоровья обслуживающего персонала (нет опасности вредного для здоровья облучения). Важными отличительными признаками предлагаемой установки для визуализации СВЧ электрических полей в пространстве является также применение опорного канала, включенного параллельно измерительному в СВЧ цепь установки при помощи двух делителей СВЧ мощности, что обеспечивает более высокую чувствительность и помехоустойчивость измерительного процесса и то, что картина СВЧ поля рисуется не в Декартовых (X, Y), а в полярных (ρ, φ) координатах.
Предлагаемое устройство для визуализации электрических полей СВЧ в пространстве позволяет видеть на экране компьютера картину пространственного распределения напряженности электрического поля СВЧ вокруг исследуемого изделия, отображаемую в условных цветах в полярных координатах с некоторым заданным шагом, величину которого можно изменять при каждом измерении в некотором интервале.
Предлагаемое устройство для визуализации СВЧ электрических полей иллюстрируется рисунками, представленными на фиг.1-2.
На фиг.1 показана схема устройства.
1 - два параллельных медных диска; 2 - подводящий СВЧ волновод; 3 - излучающий рупор; 4 - антенна-зонд; 5 - плита-основание; 6 - штатив; 7 - стойка-ось; 8 - шаговый двигатель кругового перемещения антенны-зонда; 9 - диск с зубчатой передачей; 10 - система радиального перемещения антенны-зонда; 11 - шаговый двигатель радиального перемещения; 12 - противовес; 13 - держатель верхнего диска; 14 - червячная пара для ручного вертикального перемещения верхнего диска; 15 - ручка для ручного вертикального перемещения верхнего диска.
На фиг.2 показана схема СВЧ цепи устройства визуализации СВЧ полей.
Работа установки для визуализации СВЧ электрических полей осуществляется следующим образом. Мощность СВЧ с встроенного в Векторный Анализатор Цепей Р4М-18 СВЧ генератора поступает по коаксиальному кабелю на делитель мощности, где сигнал делится на два: опорный и измерительный. Измерительный сигнал поступает по коаксиальному кабелю на коаксиально-волноводный переход и далее - по отрезку прямоугольного волновода на плоский излучающий латунный рупор. Из латунного рупора СВЧ мощность поступает в измерительную камеру - пространство между двумя плоскими параллельными медными дисками, расположенными горизонтально. В центре измерительной камеры, на нижнем диске располагается исследуемый образец. Антенна-зонд, анализирующая величину поля СВЧ в пространстве вокруг исследуемого образца, изготовленная из тонкого полужесткого коаксиального кабеля, с выступающим на конце центральным проводником, загнутым вверх под прямым углом, сканирует пространство измерительной камеры вокруг исследуемого образца. Это достигается перемещением антенны с помощью двух шаговых двигателей, управляемых компьютером, как по дуге окружности, так и в радиальном направлении, что и позволяет производить измерения СВЧ поля в измерительной камере вокруг исследуемого изделия в полярных координатах с заданным шагом. Снятые антенной-зондом значения СВЧ поля поступают по коаксиальному кабелю на второй делитель мощности, где суммируются и интерферируют с сигналом опорного канала. Далее суммарный сигнал передается на Векторный Анализатор Цепей Р4М-18 (ВАЦ), соединенный с компьютером, на экране которого, с помощью специальной обрабатывающей программы (также созданной нами на языке «Visual Basic 6.0») формируется цветное изображение электрической составляющей СВЧ электромагнитного поля в пространстве вокруг исследуемого образца. Цвет этого изображения определенным образом соответствует величине поля СВЧ.