устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты)
Классы МПК: | G01R27/06 для измерения коэффициентов отражения; для измерения коэффициента стоячих волн |
Автор(ы): | Аплеталин Владимир Николаевич, Зубов Александр Сергеевич, Казанцев Юрий Николаевич, Солосин Владимир Сергеевич |
Патентообладатель(и): | Аплеталин Владимир Николаевич, Зубов Александр Сергеевич, Казанцев Юрий Николаевич, Солосин Владимир Сергеевич |
Приоритеты: |
подача заявки:
1994-07-14 публикация патента:
10.05.1997 |
Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерений параметров материалов в сантиметровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. Техническим результатом изобретения является минимизация вклада мешающих факторов для обеспечения возможности измерения очень малых коэффициентов отражения - до - (50 - 60) дБ. Квазиоптический тракт на основе металлодиэлектрических волноводов включает генератор СВЧ, направленный ответвитель, преобразователи рабочей моды в виде плавного пирамидального рупора с двумя прилегающими к большему основанию металлическими пластинами, размещенными параллельно оси и имеющими гальванический контакт с широкими стенками рупора, четырехплечее прямоугольное разветвление волноводов квадратного сечения с направленным делителем мощности в виде пластины диэлектрика, смещенной относительно диагональной плоскости. Генератор СВЧ подключен через направленный ответвитель и первый преобразователь рабочей моды к первому плечу разветвлений волноводов, второе плечо разветвления, противоположное первому, снабжено средствами подсоединения измеряемого образца. Третье боковое плечо, смежное с первым и размещенное по одну сторону от направленного делителя мощности, подключено к первой согласованной нагрузке, а четвертое - через второй преобразователь рабочей моды подключено к первой детекторной секции, выход которой подключен к первому входу индикаторного блока, к его второму входу подключен выход второй детекторной секции, вход которой подсоединен к выходу вторичного волновода направленного ответвителя. Приводятся вариант устройства для поляризационных измерений, сведения о конструкции отдельных узлов, а также результаты измерений. 8 з.п.ф-лы. 7 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7
Формула изобретения
1. Устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте, включающее генератор СВЧ, направленный ответвитель, первый и второй преобразователи рабочей моды в виде плавного пирамидального рупора с двумя прилегающими к большему основанию металлическими пластинами, размещенными параллельно оси и имеющими гальванический контакт с широкими стенками рупора, четырехплечее прямоугольное разветвление волноводов квадратного сечения c направленным делителем мощности в виде диэлектрической пластины, генератор СВЧ подключен через направленный ответвитель и первый преобразователь рабочей моды к первому плечу разветвления волноводов, второе плечо разветвления, противоположное первому, снабжено средствами подсоединения измеряемого образца, третье боковое плечо, смежное с первым и размещенное по одну сторону от направленного делителя мощности, подключено к первой согласованной нагрузке, а четвертое через второй преобразователь рабочей моды к первой детекторной секции, выход которой подключен к первому входу индикаторного блока, к его второму входу подключен выход второй детекторной секции, вход которой подсоединен к выходу вторичного волновода направленного ответвителя, отличающееся тем, что диэлектрическая пластина направленного делителя мощности размещена в плоскости, параллельной диагональной плоскости разветвления и смещена от последней на величину (0,15-0,35)![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079055/955.gif)
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079055/955.gif)
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079055/955.gif)
L = (0,2-0,25)arctg
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079103/981.gif)
где
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079103/981.gif)
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079055/955.gif)
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079055/955.gif)
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079055/955.gif)
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079055/955.gif)
L = (0,2-0,25)arctg
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079103/981.gif)
где
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079103/981.gif)
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079055/955.gif)
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерений параметров материалов в сантиметровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. Измерение комплексного коэффициента отражения R электромагнитного излучения в образцах различных материалов позволяет, с одной стороны, определить их электрофизические свойства, а с другой степень совершенства для использования в качестве поглощающих и радиопрозрачных сред в технике. Сопоставление расчетных значений диэлектрической и магнитной проницаемостей материалов с измеренными значениями дает возможность определить неоднородность свойств поверхности, дефектность, разнотолщинность, влагосодержание и другие характеристики изделий из этих материалов (1). Для измерения комплексного коэффициента отражения используются измерительные тракты, работающие как "на прохождение", так и "на отражение". В обоих случаях регистрируются амплитудно-фазовые характеристики интерферометрическим методом. Интерференция возникает вследствие изменения расстояния между антенной и поверхностью исследуемого изделия, при сканировании поверхности из-за наличия дефектов или неоднородностей электромагнитных свойств материалов, а также при изменении частоты зондирующего излучения при неподвижном образце. Поскольку исследуемые среды могут менять плоскость поляризации регистрируемого электромагнитного излучения не только вследствие своей структуры, но также и из-за наличия дефектов, предусматриваются соответствующие средства для регистрации этого информационного параметра. Известны устройства для измерения комплексного коэффициента отражения, работающие по схеме "на отражение" с использованием источника СВЧ энергии, подключенного через развязывающий элемент к узлу разделения излучаемого и принимаемого сигналов и рупорной антенне, используемой в совмещенном режиме. К узлу разделения излучаемого и принимаемого сигнала, который может быть выполнен в виде двойного волноводного тройника, направленного ответвителя и пр. подключены детектор и индикаторный прибор (1, с.200). Некоторых недостатков, присущего упомянутому выше устройству (отсутствие средств для регистрации поляризационных характеристик и использование рупорных антенн, допускающих большой уровень паразитных сигналов, обусловленных переотражениями и неплоским фронтом волны и не позволяющих обеспечить высокое качество согласования антенного тракта) лишено устройство для измерения комплексного коэффициента отражения (а. с. СССР N 1617386 по кл. G 01 R 27/06, опубл. 1990). Оно содержит ответвитель круговой поляризации, выполненный в виде прямоугольного разветвителя волноводов, генератора СВЧ, измеряемой нагрузки (испытуемого образца), детекторной секции и регистрирующего прибора. Ответвление энергии обеспечивается размещением в диагонали разветвления решетки из параллельных проводок. В качестве регистрирующего прибора используется измеритель поляризационной диаграммы. Известное устройство позволяет регистрировать несколько меньшие значения R порядка 45 дВ (для сравнения в устройстве (2) 30 дВ). Вместе с тем для ряда применений необходимо измерить еще более низкие значения коэффициента отражения. Их значение представляет значительный интерес, поскольку позволяет исследовать характеристики тонкопленочных материалов, а также контролировать степень совершенства материалов для безэховых камер СВЧ. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения комплексного коэффициента отражения, включающее четырехплечий прямоугольный разветвитель волноводов, в диагонали которого установлен направленный делитель мощности. К двум плечам разветвителя подключены преобразователи мод, к одному из которых через направленный ответвитель подключен СВЧ свип-генератор и первая детекторная секция к другому вторая детекторная секция. Преобразователи со стороны большего основания имеют две металлические пластины для коррекции поля. Обе детекторные секции подключены к индикаторному блоку. Схема реализует квазиоптические принципы построения измерительных трактов с использованием металлодиэлектрических волноводов и посуществу представляет собой интерферометр Майкельсона (2, V.N. Apletalin et al. New methods for the measurement of microwave and millimeter wave absorbind and radiotransparent materials, Proceedings of Joint 3rd International Conference on Electromagnetics in Aerospace Applications and 7th European Electromagnetic Structures Conference sept.14-17, 1993 - Politecnico Di Torino, Italy). Такая схема позволяет расширить диапазон измеряемых коэффициентов отражения в сторону малых значений, характеризуется достаточно высокой направленностью делителя мощности (решетки) и малым значением помех, вызванных отражениями от выходной апертуры устройства. Однако определенные конструктивные решения, описанные ниже, позволяют минимизировать вклад мешающих факторов в результаты измерений, таких, например, как наличие высших типов волн и переотражения в самом измерительном тракте. Минимизация позволяет обеспечить измерение очень малых коэффициентов отражения до -(50 60) дВ, что и является техническим результатом изобретения. Технический результат в первом варианте решения обеспечивается за счет того, что устройство для измерения комплексного коэффициента отражения включает генератор СВЧ, направленный ответвитель, первый и второй преобразователи рабочей моды в виде главного пирамидального рупора с двумя прилегающими к большему основанию металлическими пластинами, размещенными параллельно оси и имеющими гальванический контакт с широкими стенками рупора, четырехплечее прямоугольное разветвление волноводов квадратного сечения с направленным делителем мощности в виде диэлектрической пластины. Генератор СВЧ подключен через направленный ответвитель и первый преобразователь рабочей моды к первому плечу разветвления волноводов, второе плечо разветвления, противоположное первому, снабжено средствами подсоединения измеряемого образца. Третье боковое плечо, смежное с первым и размещенное по одну сторону от направленного делителя мощности, подключено к первой согласованной нагрузке, а четвертое через второй преобразователь рабочей моды подключено к первой детекторной секции, выход которой подключен к первому входу индикаторного блока, к его второму входу подключен выход второй детекторной секции, вход которой подсоединен к выходу вторичного волновода направленного ответвителя. Диэлектрическая пластина направленного делителя мощности размещена в плоскости, параллельной плоскости разветвления, и смещена от последней на величину (0,15-0,35)![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079055/955.gif)
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079055/955.gif)
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079055/955.gif)
L = (0,2-0,25)arctg
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079103/981.gif)
где
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079103/981.gif)
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079055/955.gif)
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079055/955.gif)
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079055/955.gif)
L = (0,2-0,25)arctg
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079103/981.gif)
где
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079103/981.gif)
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079055/955.gif)
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079055/955.gif)
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079055/955.gif)
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079103/981.gif)
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079103/981.gif)
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079055/955.gif)
Каждый из обоих четырехплечих прямоугольных разветвителей 9 и 17 выполнен из металлодиэлектрических волноводов квадратного сечения с размером 2a, совпадающим с размером широких стенок рупора со стороны большего основания преобразователя 2. Как показано на фиг.3, параллельно диагональной плоскости первого разветвителя 8 размещена диэлектрическая пластина 9, выполняющая функции делителя мощности. Ее толщина h составляет (0,03-0,3)
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079055/955.gif)
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079055/955.gif)
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079023/948.gif)
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079055/955.gif)
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079144/2079144-2t.gif)
Второй четырехплечий разветвитель 17, выполненный аналогично разветвителю 8, содержит поляризационный направленный делитель 24, выполненный в виде решетки из тонких параллельных проводников. Период решетки выбран меньше 0,1
![устройство для измерения комплексного коэффициента отражения в квазиоптическом тракте (варианты), патент № 2079144](/images/patents/393/2079055/955.gif)
При проведении поляризационных измерений (фиг. 2) мощность СВЧ падает на измеряемый образец 11 в виде волны основной поляризации, проходя через направленный делитель с пластиной 9 и отражаясь от поверхности решетки поляризационного направленного делителя 24. Мощность, отраженная от образца, распространяется в виде волн двух поляризаций основной и кросс-поляризации. Волна основной поляризации поступает в преобразователь 12 и детектируется детекторной секцией 13. Волна кросс-поляризации поступает в преобразователь 22 и детектируется секцией 23. В индикаторном блоке 14 сигналы от детекторов 13 и 23 сравниваются с сигналом от детекторной секции 15. Методика измерений аналогична описанной в (2), (3). Примеры реализации. а) Для измерений в сантиметровом диапазоне длин волн реализовано устройство с использованием разветвления с металлодиэлектрическими волноводами квадратного сечения размером (200 х 200) мм. Их стенки, перпендикулярные плоскости разветвления, покрыты гетинаксом слоем толщиной 4 мм. На других стенках нанесено покрытие на основе проводящей электрографической бумаги марки ЭТБ-2. Преобразователи выполнены в виде рупоров с сечением малого основания (10 х 23) мм, сечением большого основания (200 х 160) мм и длиной 700 мм. С малым основанием состыкован направленный ответвитель со стандартным сечением. Пластина направленного делителя мощности выполнена из органического стекла толщиной 3 мм и установлена в разветвителе в плоскости, параллельной диагональной. Согласованная нагрузка выполнена в виде клиньев из указанной электрографической бумаги высотой около 200 мм и углом при вершине 20o. Поглощающий материал на боковых стенках волновода представляет собой трехслойную структуру с внутренним слоем электропроводящей бумаги, а внешним
слоем обычной неэлектроводной бумаги. Толщина трехслойной структуры около 5 мм. Диэлектрическое покрытие волноводов слой гетинакса толщиной 3 мм. При измерениях коэффициентов отражения материалов с помощью указанного устройства использовались стандартные направленные ответвители и детекторные секции, входящие в состав прибора РК4-55/1. б) Для измерений в миллиметровом диапазоне длин волн реализовано устройство разветвления волноводов с сечением (40 х 40) мм, также с использованием металлодиэлектрических волноводов. Преобразователь упора имеет сечение меньшего основания (1,8 x 3,6) мм. Направленный ответвитель и детектор входят в комплект серийного прибора типа Р2-69. Направленный делитель мощности выполнен из лавсановой пленки толщиной 500 мкм. Толщина диэлектрика металлодиэлектрического волновода 500 мкм. Поглощающий материал выполнен двухслойным: наружный слой их электропроводящей бумаги, внутренний из диэлектрика. Общая толщина слоя поглощающего материала 500 мкм. в) При проведении поляризационных измерений устройство, описанное в предыдущем примере реализации, дополнено вторым разветвителем аналогичного конструктивного выполнения, но имеющим в диагонали поляризатор решетку из проводников толщиной 40 мкм, установленных с шагом 200 мкм (коэффициент заполнения 0,2). В качестве генераторного и индикаторного блоков использованы серийные приборы типа Г4-161 и Я2Р-70, соответственно. На фиг. 5 представлены результаты измерений коэффициента отражения R от образцов тефлона толщиной 30,2 мм в сантиметровом диапазоне длин волн с помощью устройства, описанного в первом примере реализации. Видна интерференционная зависимость модуля коэффициента отражения от частоты с минимумами, характеризующими высокую чувствительность устройства; регистрируется уровень (-50) дБ. Из значений частот резонансных пиков по методике (2), (3) можно определить с высокой точностью диэлектрическую проницаемость материала пластины. На фиг. 6 показаны результаты измерений коэффициента отражения R лавсановых пленок с толщиной 12 мкм (кривая 1) и толщиной 4,5 мкм (кривая 2). Видно, что минимум измеряемого коэффициента отражения для более тонкой пленки составляет 60 дБ. На фиг. 7 приведены результаты измерений уровня отраженной мощности для основной и кросс-поляризаций от лавсановой пленки толщиной 50 мкм. Из осциллограммы следует, что наряду с отраженной волной основной поляризации имеется и отраженная волна кросс-поляризации, характеризующая анизотропию свойств пленки. В нижнем правом углу осциллограммы показана частотная зависимость разности диэлектрических проницаемостей в двух перпендикулярных направлениях, рассчитанная по результатам полученных экспериментальных данных. Видно, что эта разность оставляет около 0,1, что позволяет рекомендовать такую пленку для использования в качестве полупрозрачного элемента в разветвителях квазиоптических устройств в миллиметровом диапазоне длин волн. Анализ уровня техники показал, что изобретение является новым и промышленно применимым по приведенным выше описанию и примерам реализации. Предложение удовлетворяет условию изобретательского уровня, поскольку достижение технического результата возможность измерения очень малых значений коэффициента отражения в широком классе материалов очевидным образом не следует из уровня техники, так как основано на знаниях, установленных заявителем. Эти знания сводятся к определенному выполнению тракта из металлодиэлектрических волноводов, выбору соотношения размеров отдельных элементов, особому их расположению. Известность принципов построения отдельных элементов трактов, например, по а.с. 1125675, по кл. H 01 F 1/16 (1984) или а.с. 1741086 по кл. G 01 R 27/06 (1992) не порочит новизны причинно-следственной связи "отличительные признаки технический результат".
Класс G01R27/06 для измерения коэффициентов отражения; для измерения коэффициента стоячих волн