УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ОТКЛИКА ОТ ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ПЛАСТИН В СВЧ ДИАПАЗОНЕ

Полезная модель относится к способам и устройствам измерения высокочастотных электромагнитных параметров, конкретно - к системам на основе метода свободного пространства и рупорных антенн.
На сегодняшний день имеются ряд различных устройств, предназначенных для измерения комплексных электромагнитных параметров с использованием рупорных антенн. Метод свободного пространства имеет ряд преимуществ: бесконтактный, широкополосный, может быть использован для температурных и полевых исследований.
Известен ряд технических решений в этой области: установка для измерения фазы в свободном пространстве; установка для измерения коэффициента передачи в свободном пространстве (Техника измерений на сантиметровых волнах / под редакцией Ремез Г.А. Издательство «Советское радио» М: 1949 С. 312-327). В работе описаны принципы построения устройств, предназначенных для измерения в свободном пространстве. Основными недостатками известных методов являются: большие размеры исследуемых образцов, необходимые для перекрытия апертуры измерительных антенн; низкая точность измерений при исследовании материалов с большими потерями; большое расстояние между измерительными антеннами и исследуемым образцом, необходимое для формирования плоского фронта электромагнитной волны, при котором уровень мощности становится недостаточным для измерения электромагнитных параметров материалов с большими потерями.
Известно техническое решение в области измерения комплексных электромагнитных параметров с использованием метода свободного пространства и рупорных антенн по патенту US 4507602 А. Описанная измерительная система состоит из двух рупорных антенн, находящихся в горизонтальной плоскости, и держателя образцов. Две антенны размещены рупор в рупор с держателем образца между ними. Источником передаваемого сигнала является синтезатор частоты. Сигнал поступает на один из рупоров. Отраженный сигнал от образца возвращается в ту же антенну, кроме того, передаваемый сигнал проходит через образец и принимается второй рупорной антенной. Для определения комплексной диэлектрической и магнитной проницаемости по измеренным коэффициентам прохождения и отражения сигналов используют анализатор цепей и компьютер.
Недостатком известной системы является то, что образец исследуемого материала располагается в ближней зоне измерительных антенн, где еще не сформирована плосковолновая структура поля, что искажает результаты.
Известны измерительные системы на основе линзовых рупорных антенн (ЕР 0810686 А2; WO 2002050954 А2). В первом случае (ЕР 0810686) используется открытая линзовая антенна, которая содержит конический рупор и линзу, закрепленную в полости антенны. Линза имеет плоскую внешнюю поверхность на стороне, обращенной к свободному пространству, и форму гиперболоида вращения на внутренней стороне, противоположной свободному пространству. Линза выполнена из диэлектрического материала с относительной диэлектрической проницаемостью в пределах от 2 до 4 относительных единиц и вставлена в полость рупора. Линза выполнена с цилиндрической частью, которая имеет вторую плоскую поверхность, параллельную первой плоской поверхности и смещенную от первой плоскости на заданное расстояние. Данное решение служит для эффективного снижения помех, вызванных переотражением электромагнитных волн внутри рупорной антенны.
Во втором случае (WO 2002050954) рупорная антенна представляет собой рупор с малым выходным отверстием и высоким коэффициентом усиления. В рупорные антенны включаются диэлектрические линзы для фокусировки и направления электромагнитного сигнала к поверхности исследуемого материала. Электромагнитная энергия, отраженная от поверхности материала, поступает в рупорную антенну и преобразуется в электрический сигнал. Далее электрический сигнал обрабатывается, чтобы определить расстояние до материала, его толщину и свойства.
Основным недостатком рассмотренных известных технических решений является низкий динамический диапазон системы, не позволяющий измерять электромагнитные параметры материалов с большими потерями.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для измерения комплексной магнитной проницаемости в миллиметровом диапазоне длин волн (Karen N. Kocharyan. New Method for Measurement of Complex Magnetic Permeability in the Millimeter-Wave Range, Part II: Hexaferrites // IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, 1999, V. 35, №4, P. 2104-2110). Устройство состоит из квазиоптической (измерительной) части и волноводной части, содержит блок генерации и индикации СВЧ сигнала, измерительные антенны, держатель образца, тефлоновые линзы, формирующие плоский фронт электромагнитной волны. В качестве источника когерентного излучения в диапазоне частот 70-120 ГГц служит лампа обратной волны. Квазиоптический пучок излучения с гауссовым профилем формируется в системе гофрированных рупорных антенн и тефлоновых линз. Между ними на держателе устанавливается плоскопараллельный образец. Устройство принято за прототип.
Однако система по прототипу обладает малым динамическим диапазоном, высокой погрешностью для образцов малых геометрических размеров, не позволяет производить измерения параметров материалов, обладающих большими потерями.
Задача заявленной полезной модели - расширение области применения устройства для измерения материалов с большими потерями и уменьшение предельных геометрических размеров измеряемых плоскопараллельных образцов.
Решение поставленной задачи достигается тем, что устройство для измерения электромагнитного отклика от плоскопараллельных пластин в СВЧ диапазоне, как и прототип, содержит блок генерации и индикации СВЧ сигнала, излучающий рупор, расположенный в передней фокальной плоскости линзы L1 и принимающий рупор, расположенные в задней фокальной плоскости линзы L2, а также диафрагму, выполненную из радиопоглощающего материала с радиусом, соответствующим первой зоне Френеля. Новым является то, что в измерительную систему введены фокусирующая линза L3, расположенная в задней фокальной плоскости линзы L1, и фокусирующая линза L4, расположенная в передней фокальной плоскости линзы L2. Диафрагма с образцом расположена в заднем фокусе относительно линзы L3 и в передней фокусе относительно линзы L4.
На фиг. 1 показана блок схема устройства для измерения электромагнитного отклика от плоскопараллельных пластин в СВЧ диапазоне.
На фиг. 2 показаны результаты расчета и измерений коэффициента прохождения.
На фиг. 1 обозначены: 1 - блок генерации и индикации СВЧ сигнала, в качестве которого могут выступать: векторный анализатор цепей, скалярный анализатор цепей, аналоговый панорамный измеритель КСВн; 2, 3 - рупорные антенны, передающая и приемная, соответственно; 4 - диафрагма; 5 - исследуемый образец; L1, L2 - линзы, формирующие плоский фронт электромагнитной волны; L3, L4 - линзы, фокусирующие СВЧ волновой пучок.
На фиг. 2а - ε'=9,450; tgδ=0,0058; фиг. 2б - ε'=3,811; tgδ=0,00022; фиг. 2в - ε'=3,813; tgδ=0,000068; фиг. 2г - ε*=6,380; tgδ=0,0075.
Заявленное устройство работает следующим образом.
СВЧ сигнал из блока генерации и индикации поступает на излучающую антенну 2, расположенную в переднем фокусе линзы L1 (см. фиг. 1). Линза L1 формирует плоский фронт электромагнитной волны, падающий на фокусирующую линзу L3. Сфокусированная электромагнитная волна падает на исследуемый образец 5, закрепленный на диафрагме 4, выполненной из радиопоглощающего материала. Диафрагма расположена в заднем фокусе относительно линзы L3 и в переднем фокусе относительно линзы L4. Применение диафрагмы в качестве держателя образца позволяет измерять электромагнитные параметры образцов с геометрическими размерами, меньшими апертуры антенн. Конструктивное выполнение диафрагмы из радиопоглощающего материала обеспечивает существенное снижение дифракционных эффектов, неизбежных при малых размерах образца. Прошедшая через образец мощное СВЧ излучение поступает на линзу L4. Плоский фронт электромагнитной волны, сформированный линзой L4, падает па линзу L2, фокусирующую электромагнитную энергию в приемную антенну 3, расположенную в задней фокальной плоскости линзы L2. СВЧ сигнал с приемной антенны 3 поступает в блок генерации и индикации.
Для проверки предложенной полезной модели проведены измерения электромагнитных параметров образцов, являющихся стандартными образцами предприятия и прошедшими метрологическую экспертизу в Сибирском научно-исследовательском институте метрологии (г. Новосибирск). Для численного расчета коэффициента прохождения использовался метод входных импедансов (Л.М. Бреховских. Волны в слоистых средах. М: Изд-во АН ССР, 1957. 501 с). Полученные результаты представлены на фиг. 2. Из приведенных графиков видно, что результаты, полученные с использованием предложенной полезной модели, имеют лучше согласие с расчетом, чем у прототипа. Применение дополнительных фокусирующих линз позволяет сконцентрировать пучок на исследуемом образце, повышая тем самым уровень СВЧ сигнала, чем обеспечивается необходимый уровень мощности для исследования материалов с большими потерями.
Техническим результатом является расширение области применения устройства на материалы с большими потерями, уменьшение предельных геометрических размеров плоскопараллельных образцов исследуемых материалов и повышение точности измерений.
Библиография:
1. Техника измерений на сантиметровых волнах: под редакцией Ремез Г.А. - М: Советское радио, 1949. С. 312-327.
2. Measurement of permittivity and permeability of microwave materials: Pat. US 4507602 A; заявл. 13.08.1982, опубл. 26.03.1985. URL: http://www.google.dz/patents/US4507602. (Дата обращения: 05.08.2013).
3. Lens antenna having an improved dielectric lens for reducing disturbances caused by internally reflected waves: pat. EP 0810686 A2; заявл. 30.05.1997, опубл. 03.12.1997. URL: http://www.google.com/patents/EP0810686 A2?cl=en. (Дата обращения: 05.08.2013).
4. A microwave horn antenna for level measurement systems: pat. 2002050954 A2 WO; заявл. 19.12.2001, опубл. 27.06.2002. URL: http://www.google.com/patents/WO2002050954A2?cl=en. (Дата обращения: 05.08.2013).
5. Kocharyan Karen N. New Method for Measurement of Complex Magnetic Permeability in the Millimeter-Wave Range, Part II: Hexaferrites / Karen N. Kocharyan // IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS. 1999. V. 35. №4. P. 2104-2110.
6. Л.М. Бреховских. Волны в слоистых средах. M.: Изд-во АН ССР, 1957. 501 с.