RU138600U1

RU138600U1 - DEVICE FOR MEASURING ELECTROMAGNETIC RESPONSE FROM FLAT-PARALLEL PLATES IN THE MICROWAVE RANGE

Info

Publication number: RU138600U1
Application number: RU2013140548/28U
Authority: RU
Inventors: Валентин Иванович Сусляев; Евгений Юрьевич Коровин; Виктор Алексеевич Журавлев; Юрий Петрович Землянухин; Григорий Евгеньевич Кулешов
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2014-03-20

Abstract

1. 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, отличающееся тем, что устройство дополнительно оборудовано фокусирующей линзой L3, расположенной в передней фокальной плоскости линзы L1, и фокусирующей линзой L4, расположенной в передней фокальной плоскости линзы L2.2. Устройство по п.1 отличающееся тем, что диафрагма расположена в заднем фокусе относительно линзы L3 и в переднем фокусе относительно линзы L4.1. A device for measuring the electromagnetic response from plane-parallel plates in the microwave range, containing a unit for generating and indicating a microwave signal (BIG), emitting a speaker 2, located in the front focal plane of the lens L1, and receiving the speaker 3, located in the rear focal plane of the lens L2, a diaphragm 4 made of a radar absorbing material with a radius corresponding to the first Fresnel zone, characterized in that the device is additionally equipped with a focusing lens L3 located in the front focal plane of the lens s L1, and the focusing lens L4, located in the front focal plane of the lens L2.2. The device according to claim 1, characterized in that the diaphragm is located in the back focus relative to the lens L3 and in the front focus relative to the lens L4.

Description

Полезная модель относится к способам и устройствам измерения высокочастотных электромагнитных параметров, конкретно - к системам на основе метода свободного пространства и рупорных антенн.The utility model relates to methods and devices for measuring high-frequency electromagnetic parameters, specifically to systems based on the free space method and horn antennas.

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.To date, there are a number of different devices designed to measure complex electromagnetic parameters using horn antennas. The free space method has several advantages: non-contact, broadband, can be used for temperature and field studies.

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.A number of technical solutions are known in this area: an installation for measuring phase in free space; installation for measuring the transmission coefficient in free space (Technique for measurements on centimeter waves / edited by Remez GA, Sovetskoe Radio Publishing House M: 1949 S. 312-327). The paper describes the principles of construction of devices designed for measurement in free space. The main disadvantages of the known methods are: the large sizes of the studied samples, necessary for overlapping the aperture of the measuring antennas; low measurement accuracy in the study of materials with large losses; the large distance between the measuring antennas and the test sample, necessary for the formation of a flat front of the electromagnetic wave, at which the power level becomes insufficient to measure the electromagnetic parameters of materials with large losses.

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.A technical solution is known in the field of measuring complex electromagnetic parameters using the free space method and horn antennas according to US Pat. No. 4,507,602 A. The described measuring system consists of two horn antennas located in a horizontal plane and a sample holder. Two antennas are placed a speaker in a speaker with a sample holder between them. The source of the transmitted signal is a frequency synthesizer. The signal goes to one of the horns. The reflected signal from the sample is returned to the same antenna, in addition, the transmitted signal passes through the sample and is received by the second horn antenna. To determine the complex dielectric and magnetic permeability from the measured transmission and reflection coefficients of the signals, a network analyzer and a computer are used.

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.A disadvantage of the known system is that the sample of the studied material is located in the near zone of the measuring antennas, where the plane-wave field structure has not yet been formed, which distorts the results.

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.Known measuring systems based on lens horn antennas (EP 0810686 A2; WO 2002050954 A2). In the first case (EP 0810686) an open lens antenna is used, which contains a conical horn and a lens fixed in the cavity of the antenna. The lens has a flat outer surface on the side facing the free space, and the shape of a rotation hyperboloid on the inner side opposite to the free space. The lens is made of a dielectric material with a relative permittivity in the range of 2 to 4 relative units and is inserted into the speaker cavity. The lens is made with a cylindrical part, which has a second flat surface parallel to the first flat surface and offset from the first plane by a predetermined distance. This solution serves to effectively reduce interference caused by re-reflection of electromagnetic waves inside the horn antenna.

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.In the second case (WO2002050954), the horn antenna is a horn with a small outlet and a high gain. Horn antennas incorporate dielectric lenses for focusing and directing the electromagnetic signal to the surface of the test material. Electromagnetic energy reflected from the surface of the material enters the horn antenna and is converted into an electrical signal. Next, an electrical signal is processed to determine the distance to the material, its thickness and properties.

Основным недостатком рассмотренных известных технических решений является низкий динамический диапазон системы, не позволяющий измерять электромагнитные параметры материалов с большими потерями.The main disadvantage of the known technical solutions considered is the low dynamic range of the system, which does not allow measuring the electromagnetic parameters of materials with high losses.

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.Closest to the proposed technical solution is a device for measuring complex magnetic permeability in the millimeter wavelength range (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, No. 4, P. 2104-2110). The device consists of a quasi-optical (measuring) part and a waveguide part, it contains a microwave signal generation and indication unit, measuring antennas, a sample holder, and Teflon lenses forming a flat front of an electromagnetic wave. A backward wave lamp is used as a source of coherent radiation in the frequency range 70–120 GHz. A quasi-optical beam of radiation with a Gaussian profile is formed in a system of corrugated horn antennas and Teflon lenses. Between them, a plane-parallel sample is mounted on the holder. The device is taken as a prototype.

Однако система по прототипу обладает малым динамическим диапазоном, высокой погрешностью для образцов малых геометрических размеров, не позволяет производить измерения параметров материалов, обладающих большими потерями.However, the prototype system has a small dynamic range, a high error for samples of small geometric dimensions, it does not allow measurements of the parameters of materials with large losses.

Задача заявленной полезной модели - расширение области применения устройства для измерения материалов с большими потерями и уменьшение предельных геометрических размеров измеряемых плоскопараллельных образцов.The objective of the claimed utility model is to expand the scope of the device for measuring materials with large losses and reduce the limiting geometric dimensions of the measured plane-parallel samples.

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.The solution to this problem is achieved by the fact that the device for measuring the electromagnetic response from plane-parallel plates in the microwave range, like the prototype, contains a microwave signal generation and indication unit emitting a horn located in the front focal plane of the lens L1 and receiving a horn located in the rear focal plane L2 lenses, as well as a diaphragm made of radar absorbing material with a radius corresponding to the first Fresnel zone. What is new is that a focusing lens L3 located in the rear focal plane of the lens L1 and a focusing lens L4 located in the front focal plane of the lens L2 are introduced into the measuring system. The aperture with the sample is located in the back focus relative to the lens L3 and in the front focus relative to the lens L4.

На фиг. 1 показана блок схема устройства для измерения электромагнитного отклика от плоскопараллельных пластин в СВЧ диапазоне.In FIG. 1 shows a block diagram of a device for measuring the electromagnetic response from plane-parallel plates in the microwave range.

На фиг. 2 показаны результаты расчета и измерений коэффициента прохождения.In FIG. 2 shows the results of calculation and measurements of the transmission coefficient.

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.In FIG. 1 are designated: 1 - a unit for generating and indicating a microwave signal, which can be: a vector network analyzer, a scalar network analyzer, an analog panoramic measuring instrument SWR; 2, 3 - horn antennas, transmitting and receiving, respectively; 4 - aperture; 5 - test sample; L1, L2 - lenses forming a flat front of an electromagnetic wave; L3, L4 - lenses focusing the microwave wave beam.

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.In FIG. 2a - ε '= 9.450; tanδ = 0.0058; FIG. 2b - ε '= 3.811; tanδ = 0.00022; FIG. 2c - ε '= 3.813; tanδ = 0.000068; FIG. 2g - ε * = 6.380; tanδ = 0.0075.

Заявленное устройство работает следующим образом.The claimed device operates as follows.

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.The microwave signal from the generation and indication unit is fed to a radiating antenna 2 located in the front focus of the lens L1 (see Fig. 1). Lens L1 forms a flat front of the electromagnetic wave incident on the focusing lens L3. A focused electromagnetic wave is incident on the test sample 5, mounted on a diaphragm 4 made of radar absorbing material. The aperture is located in the back focus relative to the lens L3 and in the front focus relative to the lens L4. The use of a diaphragm as a sample holder allows one to measure the electromagnetic parameters of samples with geometric dimensions smaller than the antenna aperture. The design of the diaphragm made of radar absorbing material provides a significant reduction in diffraction effects, which are inevitable with small sample sizes. The high-power microwave radiation transmitted through the sample is fed to the L4 lens. The flat front of the electromagnetic wave formed by the lens L4 falls onto the lens L2 focusing the electromagnetic energy into the receiving antenna 3 located in the rear focal plane of the lens L2. The microwave signal from the receiving antenna 3 enters the generation and display unit.

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.To verify the proposed utility model, we measured the electromagnetic parameters of the samples, which are standard samples of the enterprise and have undergone metrological examination at the Siberian Research Institute of Metrology (Novosibirsk). For the numerical calculation of the transmission coefficient, the input impedance method was used (L. M. Brekhovskikh. Waves in layered media. M: Publishing House of the Academy of Sciences of the USSR, 1957. 501 s). The results are presented in FIG. 2. From the graphs it can be seen that the results obtained using the proposed utility model have better agreement with the calculation than that of the prototype. The use of additional focusing lenses makes it possible to concentrate the beam on the test sample, thereby increasing the level of the microwave signal, which ensures the necessary power level for studying materials with large losses.

Техническим результатом является расширение области применения устройства на материалы с большими потерями, уменьшение предельных геометрических размеров плоскопараллельных образцов исследуемых материалов и повышение точности измерений.The technical result is to expand the scope of the device to materials with large losses, reducing the limiting geometric dimensions of plane-parallel samples of the materials under study and increasing the accuracy of measurements.

Библиография:Bibliography:

1. Техника измерений на сантиметровых волнах: под редакцией Ремез Г.А. - М: Советское радио, 1949. С. 312-327.1. Measurement technique on centimeter waves: edited by G. Remez - M: Soviet Radio, 1949.S. 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).2. Measurement of permittivity and permeability of microwave materials: Pat. US 4,507,602 A; declared 08/13/1982, publ. 03/26/1985. URL: http://www.google.dz/patents/US4507602. (Date of treatment: 08/05/2013).

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).3. Lens antenna having an improved dielectric lens for reducing disturbances caused by internally reflected waves: pat. EP 0 810 686 A2; declared 05/30/1997, publ. 12/03/1997. URL: http://www.google.com/patents/EP0810686 A2? Cl = en. (Date of treatment: 08/05/2013).

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).4. A microwave horn antenna for level measurement systems: pat. 2002050954 A2 WO; declared 12/19/2001, publ. 06/27/2002. URL: http://www.google.com/patents/WO2002050954A2?cl=en (Date of treatment: 08/05/2013).

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. 2104-2110.5. 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. No. 4. P. 2104-2110.

6. Л.М. Бреховских. Волны в слоистых средах. M.: Изд-во АН ССР, 1957. 501 с.6. L.M. Brekhovsky. Waves in layered media. M .: Publishing House of the Academy of Sciences of the USSR, 1957.501 p.

Claims

1. A device for measuring the electromagnetic response from plane-parallel plates in the microwave range, containing a unit for generating and indicating a microwave signal (BIG), emitting a speaker 2, located in the front focal plane of the lens L1, and receiving the speaker 3, located in the rear focal plane of the lens L2, a diaphragm 4 made of a radar absorbing material with a radius corresponding to the first Fresnel zone, characterized in that the device is additionally equipped with a focusing lens L3 located in the front focal plane of the lens s L1, and the focusing lens L4, located in the front focal plane of the lens L2.

2. The device according to claim 1, characterized in that the diaphragm is located in the rear focus relative to the lens L3 and in the front focus relative to the lens L4.