УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ОТКЛИКА ОТ ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ПЛАСТИН В СВЧ ДИАПАЗОНЕ Российский патент 2021 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к устройствам измерения высокочастотных электромагнитных параметров материалов, конкретно - к системам на основе метода свободного пространства и линз.

На сегодняшний день имеется 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.

Известен дефектоскоп для исследования неоднородностей в диэлектриках на СВЧ (Патент РФ 244437) и состоящий из передающей диэлектрической линзы, приемного рупора со сканирующим устройством и устройства визуализации.

Недостаток устройства - его низкое пространственное разрешение, ограниченное дифракционным пределом формирующей системы.

Известен радиовизор-интроскоп квазиоптического типа для контроля в проходящем электромагнитном излучении амплитудные и фазовые дефекты в диэлектрических и полупроводниковых материалах (К.И. Крылов, Н.А. Львова, С.А. Смирнов, А.С. Бабейкин. Оптический интроскоп миллиметрового диапазона // Тр. Всес. симп. По приборам, технике и распространению миллиметровых и субмиллиметровых волн в атмосфере: ИРЭ, Харьков, 1976, с. 198-201). Устройство состоит из СВЧ генератора, который с помощью рупорной антенны с корректирующей линзой освещает исследуемый объект, находящийся в плоскости предметов асферического 3-х линзового СВЧ объектива, который строит увеличенное перевернутое изображение объекта в плоскости приемного зонда с полупроводниковым детектором, который сканирует по спиральной траектории с помощью развертывающего электромеханического устройства.

Недостатком устройства является его низкое пространственное разрешение, не превышающее 1,3λ, где λ - длина волны используемого излучения.

Известна установка ФАС-0.5 разработки ВНИИРИ, выполненная в виде линии передачи электромагнитной энергии в свободном пространстве, состоящая из передающего и приемного фокусирующего устройства, в совмещенном фокусе которых (в фокальном пятне) размещается плоский исследуемый образец (Налбалдян Г.C. и др. Изучение свойств материалов на СВЧ в особых условиях // В сб.: методы и средства измерений электромагнитных характеристик материалов на ВС и СВЧ, тезисы докл. 6 всес. Н-т конференции, 29-30 мая 1987, Новосибирск, НИИ Метрологии, с. 92-93).

Недостатком устройства является то, что фокусирующие устройства выполнены в виде зеркальных параболических антенн, в ближнем фокусе которых размещен соответственно излучатель и приемник излучения. Поскольку система является зеркальной, то приемник и излучатель экранируют часть поверхности фокусирующих зеркал, что приводит к уменьшению коэффициента использования СВЧ излучения и появлению дополнительных дифракционных потерь и низкое пространственное разрешение формирующей системы.

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 низкое пространственное разрешение на исследуемом образце, ограниченное дифракционным пределом формирующей системы.

Известно устройство для измерения электромагнитного отклика от плоскопараллельных пластин в СВЧ диапазоне, содержащее блок генерации и индикации СВЧ сигнала (БГИ), излучающий рупор 2, расположенный в передней фокальной плоскости линзы L1, и принимающий рупор 3, расположенный в задней фокальной плоскости линзы L2, диафрагму 4, выполненную из радиопоглощающего материала с радиусом, соответствующим первой зоне Френеля, фокусирующую линзу L3, расположенную в передней фокальной плоскости L1, и фокусирующую линзу L4, расположенную в передней фокальной плоскости линзы L2, при этом диафрагма расположена в заднем фокусе относительно линзы L3 и в переднем фокусе относительно линзы L4 (Патент РФ 138600, МПК G01R 27/26, Опубликовано: 20.03.2014, Бюл. №8).

Недостатком устройства является его низкое пространственное разрешение.

Диаметр пятна Эйри h определяется так называемым критерием Рэлея, который устанавливает предел концентрации (фокусировки) электромагнитного поля с помощью оптических систем [Борн М., Вольф Э., Основы оптики // -М.:Наука. - 1970.]:

h=2,44 λFD^-1,

где D - диаметр первичного зеркала или линзы оптической системы, F - фокусное расстояние оптической системы.

Диаметр пятна Эйри h является важным параметром оптической системы, который определяет ее собственную разрешающую способность в фокальной плоскости и определяет качество получаемого изображения. Он показывает минимальное расстояние между полем точечных источников в фокальной плоскости, которое способна зарегистрировать данная оптическая система. Максимальное разрешение идеальной оптической системы не может превышать величины λ/2.

Известно устройство по способу формирования изображения объектов с субдифракционным разрешением в миллиметровом, терагерцовом, инфракрасном и оптическом диапазонах длин волн (Патент РФ 2631006). Поставленная задача повышения разрешения выше дифракционного предела решается благодаря тому, что в устройстве формирования изображения объектов с субдифракционным разрешением в миллиметровом, терагерцовом, инфракрасном и оптическом диапазонах длин волн, состоящем из источника электромагнитного излучения, формирующей системы в форме диэлектрической линзы в области фокусировки излучения которой размещается мезоразмерная диэлектрическая частица с характерным размером не более поперечного размера области фокусировки и не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, с коэффициентом преломления материала лежащего в диапазоне от 1,2 до 1,7, формирования на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4 и протяженностью не более 10λ и размещения объекта исследования в этой области, приемника электромагнитного излучения, устройства визуализации.

Недостатком устройства является низкое пространственное разрешение на исследуемом образце, не превышающее λ/3 - λ/4.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению и принятое за прототип является устройство для измерения электромагнитного отклика от плоскопараллельных пластин в миллиметровом диапазоне, (Патент РФ 152937), содержащее блок генерации и индикации СВЧ сигнала, два линзовых волновода, образованных соответственно линзами L1, L3 и L2, L4, выполненных в виде плоских фазоинверсных дифракционных оптических элементов соответствующего диапазона, излучающий рупор 2, расположенный в передней фокальной плоскости линзы L1, и принимающий рупор 3, расположенный в задней фокальной плоскости линзы L2, диафрагму 4, выполненную из радиопоглощающего материала, фокусирующую линзу L3, расположенную в передней фокальной плоскости L1, и фокусирующую линзу L4, расположенную в передней фокальной плоскости линзы L2, при этом диафрагма расположена в заднем фокусе относительно линзы L3 и в переднем фокусе относительно линзы L4.

Недостатком устройства является низкое пространственное разрешение на исследуемом образце, ограниченное дифракционным пределом формирующей системы.

Задачей предполагаемого изобретения является повышение пространственного разрешения до субволнового уровня.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для измерения электромагнитного отклика от плоскопараллельных пластин, содержащее блок генерации и индикации СВЧ сигнала, два линзовых волновода, образованных плоскими фазоинверсными дифракционными оптическими элементами соответствующего диапазона L1, L3 и L2, L4, излучающий рупор 2, расположенный в передней фокальной плоскости линзы L1, и принимающий рупор 3, расположенный в задней фокальной плоскости линзы L2, диафрагму 4, выполненную из радиопоглощающего материала, фокусирующую линзу L3, расположенную в передней фокальной плоскости L1, и фокусирующую линзу L4, расположенную в передней фокальной плоскости линзы L2, при этом диафрагма расположена в заднем фокусе относительно линзы L3 и в переднем фокусе относительно линзы L4, новым является то, что дифракционные оптические элементы L3 и L4 состоят из подложки, прозрачной для используемого излучения, на поверхности которой размещена фазоинверсная структура с границами зон Френеля, подложку выполняют в форме усеченного конуса с высотой конуса примерно равного фокусному расстоянию дифракционного оптического элемента, с отношением радиусов нижнего и верхнего оснований усеченного конуса находящегося примерно равного 2 и с показателем преломления материала не менее показателя преломления материала фазоинверсной структуры, направленной меньшим основанием в сторону области фокусировки излучения, а фокусное расстояние выбирают не более длины волны используемого излучения и облучение дифракционного оптического элемента осуществляют со стороны фазоинверсной структуры.

Изобретение поясняется чертежами. На Фиг. 1 приведена схема устройства для измерения электромагнитного отклика от плоскопараллельных пластин в миллиметровом диапазоне.

На Фиг. 2 приведены результаты моделирования фокусировки излучения дифракционного оптического элемента с подложкой в форме усеченного конуса и фокусное расстояние равное длине волны. Дифракционный оптический элемент освещается циркулярно поляризованным излучением.

На Фиг. 1 обозначены: 1 блок генерации и индикации (БГИ), 2 - излучающая антенна, расположенная в переднем фокусе линзы L1, L3 - фокусирующая линза первого линзового волновода, 5 - исследуемый образец, закрепленный на диафрагме 4. Линзы L4 и L2 второго линзового волновода, 3 - приемная антенна, расположенная в задней фокальной плоскости линзы L2, 6 - фазоинверсная структура, 7 - подложка дифракционного оптического элемента в форме усеченного конуса.

Заявляемое 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. Прошедшее через образец мощное СВЧ излучение поступает на линзу L4. Плоский фронт электромагнитной волны, сформированный линзой L4, падает на 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.

Электромагнитное излучение, освещая фазоинверсную структуру 6 расположенную на большем основании подложки 7 в форме усеченного конуса. Фазоинверсная структура 6 может быть выполнена за счет изменения толщины фазоинверсной структуры 6 либо показателя преломления в соответствующих зонах.

За счет дифракции излучения на фазоинверсной структуре и интерференции волн происходит фокусировка излучения в области фокуса. В предлагаемой конструкции устройства дифракционного оптического элемента эффективно концентрируются как лучи, приходящие на ось симметрии под большим углом дифракции, так и затухающие волны вблизи теневой поверхности дифракционного оптического элемента в фокусе. Интерференция уходящих и эванесцентных волн приводит к формированию сингулярностей оптической фазы и возникновению так называемых суперосцилляций поля [M.V. Berry, Evanescent and real waves in quantum billiards and Gaussian beams // J. Phys. A: Math. Gen. 27, L391-L398 (1994).], что способно уменьшить диаметр фокусного пятна ниже дифракционного предела [G. Chen, Z.-Q. Wen and C.-W. Qiu, “Superoscillation: from physics to optical applications,” Light: Science & Applications 8:56 (2019): https://doi.org/10.1038/s41377-019-0163-9].

Конструктивное выполнение фокусирующих диэлектрических линз в виде дифракционных оптических элементов с подложкой в форме усеченного конуса и с высотой конуса примерно равного фокусному расстоянию дифракционного оптического элемента, которое выбрано не более длины волны используемого излучения, с отношением радиусов нижнего и верхнего оснований усеченного конуса примерно равного 2, с показателем преломления материала не менее показателя преломления материала фазоинверсной структуры, направленной меньшим основанием в сторону области фокусировки излучения, обеспечивает фокусировку излучения на образце в область с субволновым размером. Это существенно снижает дифракционные эффекты, неизбежные при малых размерах образца для выявления локальных неоднородностей.

Численным моделированием и экспериментально установлено, что при величине фокусного расстояния дифракционного оптического элемента не более длины волны падающего излучения осуществляется субволновая фокусировка излучения. Поэтому высоту подложки в форме усеченного конуса выбирают примерно равной фокусному расстоянию дифракционного оптического элемента.

Установлено, что размер фокуса (фокального пятна) предлагаемого устройства приблизительно в n раз меньше, чем у стандартного дифракционного оптического элемента, например, фазовой зонной пластинки и составляет субдифракционую величину, где n показатель преломления материала подложки.

Показатель преломления материала подложки выбирают не менее показателя преломления материала фазоинверсной структуры.

Установлено, что выигрыш по пространственному разрешению растет пропорционально отношению показателей преломления иммерсионной среды (подложки в форме усеченного конуса) и среды, где реализуется фокусировка поля.

Экспериментально и в результате математического моделирования установлено, что выигрыш по пространственному разрешению растет пропорционально отношению показателей преломления иммерсионной среды и среды, где реализуется фокусировка электромагнитного излучения.

Установлено, что субволновой размер фокального пятна и одновременно высокая интенсивность излучения в фокальной области реализуется при отношении радиусов нижнего и верхнего примерно равного 2. Вне этой величины резко уменьшается интенсивность излучения в области фокуса.

В СВЧ и КВЧ диапазонах в качестве иммерсионной среды - подложки можно использовать композиционные материалы [Е. Е. Чигряй, И. П. Никитин. Свойства композита полистирол-рутил на миллиметровых волнах // Журнал Радиоэлектроники, N9, 2018, DOI 10.30898/1684-1719.2018.9.20], например, в качестве первого компонента может использоваться полистирол с удельным весом ρ = 1,06 кг/м³. В диапазоне частот от 70 ГГц до 300 ГГц диэлектрическая проницаемость полистирола остается постоянной и равна ε = 2,523 ± 0,5%, а в качестве второго компонента рутил (TiO₂), который имеет показатель преломления n = 9,4 (изменение n в диапазоне частот 180-600 ГГц составляет менее 0,1). Потери составляют от 1,5 дБ/мм на частоте 210 ГГц до 6,0 дБ/мм на частоте 450 ГГц, увеличиваясь пропорционально квадрату частоты. На частоте 70 ГГц потери составляют 1,7 дБ/см.

В качестве материалов диэлектрической частицы могут быть использованы, например, различные СВЧ керамики, при использовании среды окружающей частицу с высокой диэлектрической проницаемостью. Известна композитная керамика BST-Mg, применяемая в частотных диапазонах 0,7-30,0 ГГц и имеющая диэлектрическую проницаемость от 200 до 900 в зависимости от состава, низкие диэлектрические потери в микроволновом диапазоне (tg δ ≤ 0,005) [Е.А. Ненашева, А.Д. Канарейкин, А.И. Дедык, Ю.В. Павлова. Электрически управляемые компоненты на основе керамики BST-Mg для применения в ускорительной технике // Физика твердого тела, 2009, том 51, вып. 8, с. 1468-1471.]. В АО НИИ Феррит-домен, Санкт-Петербург, разработана керамика 140МСТ состава Са-Тi-O c диэлектрической проницаемостью 145 и тангенсом угла потерь 0,0008 на частоте 4,5 ГГц. На заводе Магнетрон разработаны сверхвысокочастотные диэлектрики МТС-120 на частоте 6 ГГц с диэлектрической проницаемостью 120. Керамика В20 в диапазоне от 100 до 170 ГГц имеет показатель преломления 4.58. Исследование диэлектрических свойств керамических материалов марок МСТ-7.3, МСТ-10, ТК-20, ТК-40, ЛК-2.5, ЛК-3, СТ-3, СТ-4, СТ-10, ВК-100М в диапазоне частот от 50 ГГц до 200 ГГц, показало, что они пригодны для применения в миллиметровом диапазоне длин волн [Паршин В.В, Серов Е.А, Ершова П.В. Исследование диэлектрических свойств современных керамических материалов в миллиметровом диапазоне // Электроника и микроэлектроника СВЧ, том 1, 2017, с. 418-422]. Показатель преломления большинства образцов не зависит от частоты в исследуемом диапазоне, либо имеет слабую линейную зависимость. Для МСТ-7,25 в диапазоне (80-200 ГГц) показатель преломления n= 2,658±0,001, n (9,4 ГГц) = 2,72, для МСТ-10: n(55-200 ГГц)=3,1855±0,001, n (9,4 ГГц) = 3,225, для ТК-20: показатель преломления возрастает практически линейно от n (9,4 ГГц) = 4,404 до n (200 ГГц) = 4,416. Для ТК-40: n (60-200 ГГц) = 6,255±0,001, n (6 ГГц) = 6,316, для пено-керамик ЛК-2,5: показатель преломления возрастает практически линейно от n (9,4 ГГц) = 1,58 до n (170 ГГц) = 1,61, для ЛК-3: величина показателя преломления меняется практически линейно от n (9,4 ГГц) =1,73 до n (192 ГГц) =1,77. Тангенс угла потерь для таких материалов порядка 10^-3.

Техническим результатом является уменьшение предельных геометрических размеров плоскопараллельных образцов исследуемых материалов, повышение «локальности» измерений и точности.

Использование: для измерения электромагнитного отклика от плоскопараллельных пластин. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения электромагнитного отклика от плоскопараллельных пластин содержит блок генерации и индикации СВЧ сигнала, два линзовых волновода, образованных плоскими фазоинверсными дифракционными оптическими элементами соответствующего диапазона L1, L3 и L2, L4, излучающий рупор, расположенный в передней фокальной плоскости линзы L1, и принимающий рупор, расположенный в задней фокальной плоскости линзы L2, диафрагму, выполненную из радиопоглощающего материала, фокусирующую линзу L3, расположенную в передней фокальной плоскости L1, и фокусирующую линзу L4, расположенную в передней фокальной плоскости линзы L2, при этом диафрагма расположена в заднем фокусе относительно линзы L3 и в переднем фокусе относительно линзы L4, отличающееся тем, что дифракционные оптические элементы L3 и L4 состоят из подложки, прозрачной для используемого излучения, на поверхности которой размещена фазоинверсная структура с границами зон Френеля, подложку выполняют в форме усеченного конуса с высотой конуса, примерно равной фокусному расстоянию дифракционного оптического элемента, с отношением радиусов нижнего и верхнего оснований усеченного конуса, примерно равным 2, и с показателем преломления материала не менее показателя преломления материала фазоинверсной структуры, направленной меньшим основанием в сторону области фокусировки излучения, а фокусное расстояние выбирают не более длины волны используемого излучения и облучение дифракционного оптического элемента осуществляют со стороны фазоинверсной структуры. Технический результат: повышение пространственного разрешения до субволнового уровня. 2 ил.

Устройство для измерения электромагнитного отклика от плоскопараллельных пластин, содержащее блок генерации и индикации СВЧ сигнала, два линзовых волновода, образованных плоскими фазоинверсными дифракционными оптическими элементами соответствующего диапазона L1, L3 и L2, L4, излучающий рупор 2, расположенный в передней фокальной плоскости линзы L1, и принимающий рупор 3, расположенный в задней фокальной плоскости линзы L2, диафрагму 4, выполненную из радиопоглощающего материала, фокусирующую линзу L3, расположенную в передней фокальной плоскости L1, и фокусирующую линзу L4, расположенной в передней фокальной плоскости линзы L2, при этом диафрагма расположена в заднем фокусе относительно линзы L3 и в переднем фокусе относительно линзы L4, отличающееся тем, что дифракционные оптические элементы L3 и L4 состоят из подложки, прозрачной для используемого излучения, на поверхности которой размещена фазоинверсная структура с границами зон Френеля, подложку выполняют в форме усеченного конуса с высотой конуса, примерно равной фокусному расстоянию дифракционного оптического элемента, с отношением радиусов нижнего и верхнего оснований усеченного конуса, примерно равным 2, и с показателем преломления материала не менее показателя преломления материала фазоинверсной структуры, направленной меньшим основанием в сторону области фокусировки излучения, а фокусное расстояние выбирают не более длины волны используемого излучения и облучение дифракционного оптического элемента осуществляют со стороны фазоинверсной структуры.