Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Спектральный метод изучения пространственной структуры электромагнитных полей в квазиоптике ... 22
1.1. Представление волновых полей в виде дискретного набора ортогональных функций 24
1.2. Открытый резонатор - дисперсионный элементанализатора спектра 45
Выводы 59
Глава 2. Исследование свойств открытых резонаторов миллиметрового диапазона волн с невырожденным спектром собственных колебаний 62
2.1. Многомодовый квазиоптический ОР с прямоугольными зеркалами "большой апертуры" 63
2.2. Спектральные свойства резонатора со сложным фазовым фильтром .73
2.3. Изучение характеристик слабоастигматических ОР 89
Вы воды 99
Глава 3. Изучение характеристик и оптимизация параметров основных элементов анализатора спектра пространственной структуры полей ММВ 102
3.1. Резонатор-анализатор с частично-прозрачным входным отражателем 103
3.2. Влияние внешних металлических экранов на основные свойства резонатора-анализатора 114
3.3. Спектральные характеристики ОР при наклонном возбуждении 124
Вы в о ды 139
Глава ІV. Спектральный метод анализа электромагнитных полей в научных и прикладных исследованиях .142
4.1. Исследование квазиоптических резонаторов с вырожденным спектром 143
4.2. Ортогональный фазовый фильтр - проточная кювета для измерения диэлектрической проницаемости жидкостей 155
4.3. Перспективы использования спектрального метода анализа полей ММВ в дефектоскопии и ближней локации 164
Вы воды 184
Заключение 187
Литература 196
- Открытый резонатор - дисперсионный элементанализатора спектра
- Спектральные свойства резонатора со сложным фазовым фильтром
- Влияние внешних металлических экранов на основные свойства резонатора-анализатора
- Ортогональный фазовый фильтр - проточная кювета для измерения диэлектрической проницаемости жидкостей
Введение к работе
Научно-технический прогресс, характерный для современной эпохи в последнее десятилетие, неразрывно связан с широким интересом в радиофизике к диапазону миллиметровых волн (ММВ). Бурный рост научных исследований и технических разработок в этом диапазоне обусловлен несколькими факторами: появлением новой технологии, изменением требований и взглядов на задачи, решаемые в этом диапазоне, созданием принципиально новых источников электромагнитной энергии - генераторов дифракционного излучения (ГДЙ) /I/, лавинно-пролетных структур и диодов Ганна, - построением новых принципов исследования пространственной структуры полей, созданием новой элементной базы /2-4/,
Примечательным для настоящего этапа развития радиофизики ММВ является то, что основной акцент ставится на использовании свойств, присущих именно миллиметровому диапазону волн, и в меньшей степени проявляется перенос методов и средств (путем использования масштабного моделирования) из соседних диапазонов - СВЧ и оптического. Так, в радиолокации и технике связи /5/ наблюдается общее преимущество систем ММВ диапазона перед оптическими, ИК и СВЧ системами, которое проявляется:
- в лучшем прохождении зондирующего сигнала через туман, пыль и другие неблагоприятные условия окружающей среды по сравнению с оптическим и ИК;
- меньшим затуханием в ионизированных средах, чем волны Щ и СМ диапазонов;
- в наличии резонансных окон прозрачности атмосферы и, как следствие, - сильном изменении поглощения в атмосфере при сравнительно малом изменении частоты Кроме того, в технике связи привлекает большая информационная емкость каналов с переходом в диапазон ММВ, лучшая помехозащищенность, возможность уменьшения габаритов антенных систем и улучшения их диаграмм направленности. Применение ММВ в биологии и медицине открывает новые возможности в изучении механизмов внутриклеточного взаимодействия /6,7/, в физике плазмы - позволяет зондировать плазменные сгустки с плотностью частиц до I010 см"3 на современных термоядерных установках /8-13/, в радиоспектроскопии - изучать магнитоквазиоптические эффекты, процессы динамической ядерной поляризации, структуру вещества методом ЭПР /14-16/ и т.д.
Решение фундаментальных и прикладных задач радиооптики и дифракционной электроники связано, как правило, с канализацией электромагнитной энергии, формированием и изучением пространственной структуры реальных волновых полей. В отличие от идеализированных плоских волн, когерентные волновые поля ММВ в основном представляют собой волновые пучки, ограниченные в поперечном сечении, с искривленной амплитудной и фазовой поверхностями. Такие пучки формируются в лучеводных и линзовых линиях передачи /17,18/, в открытых двухзеркальных резонаторах /19-21/, на выходе ГДИ с дифракционным выводом энергии /22/, в фокальной плоскости радиообъективов (вследствие конечных размеров апертур). Волновые пучки хорошо описываются гауссовскими распределениями полей с изменением амплитуды в поперечном сечении по закону изменения функций Эрмита-Гаусса или Лагерра-Гаусса /17-21/. Область использования пучков с гауссовским распределением поля весьма обширна и простирается от чисто научных исследований, как, например, в спектрометрах ЭПР на базе открытого резонатора /15-16/, до прикладных задач, таких, как обнаружение дефектов в радиопрозрачных материалах и идентификация объектов по полям дифракции. При этом амплитудно-фазовые характеристики пучков могут претер 6 певать значительные изменения при дифракции на лоцируемых объектах, прохождении неоднородных и анизотропных сред.
Можно сформулировать ряд задач, для решения которых необходимо создание нового метода анализа пространственной структуры полей, а именно:
- изучение структуры и модового состава пучков, формируемых зеркальными, линзовыми и лучеводными линиями передачи;
- изучение структуры резонансных полей, формируемых в резонаторах с внутренними неоднородностями (дифракционная решетка в резонаторе ГДИ, исследуемый образец в резонаторе радиоспектрометра и т.д.), а также вырожденных колебаний в ОР диапазона МШЗ, весьма чувствительных ко всякого рода возмущениям;
- анализ полей, формируемых радиообъективами.
Кроме того, в связи с интенсивным развитием вычислительной техники, систем автоматического управления и контроля возникла необходимость в развитии методов, основанных на получении информации в виде дискретного набора величин, полностью характеризующего состояние изучаемого объекта и удобного для введения и обработки этой информации в ЭВМ. Существующие методы не всегда позволяют решить перечисленные задачи.
В связи с этим актуальной является проблема создания новых эффективных методов исследования структуры полей ММВ, в особенности резонансных. Кроме того, представляет существенный интерес разработка спектральных методов анализа, позволяющих получать экспресс-информацию об исследуемом поле, а также проводить обработку и фильтрацию получаемой информации на этапах ее формирования, подобно методам фурье-спектроскопии в оптическом диапазоне.
Настоящая диссертационная работа посвящена созданию такого метода структурного анализа полей в диапазоне ММВ.
Метод основан на представлении исследуемого поля в виде набоpa пространственных конфигураций собственных мод (с измеряемыми комплексными коэффициентами) высокодобротного многомодового открытого резонатора. Обработка полученной информации с помощью дШ позволяет восстанавливать амплитудные и фазовые распределения полей в анализируемом сечении. Аналогом такого метода может быть метод определения амплитуд собственных волн линзовой линии передачи, развитый в работах /23,24/ и основанный на использовании открытого резонатора в качестве фильтра, встроенного в эту линию. Этот метод является интересным и прогрессивным уже в том плане, что в качестве базовой использует электродинамическую структуру,наиболее естественную для приборов и устройств рассматриваемых диапазонов волн. Однако возможности применения метода и полнота получаемой информации существенно ограничены: во-первых, тем, что ОР выполняет роль пассивного элемента и, во-вторых, измерением только амплитуд собственных волн, распространяющихся в линзовой линии.
Остановимся кратко на обзоре и обсуждении применяющихся в экспериментальной практике методов и средств изучения амплитудных и фазовых характеристик радиоволнового излучения. По характеру и полноте получаемой информации эти методы могут быть отнесены к трем группам:
- методы прямой регистрации (прямого радиовидения),
- годографические методы,
- спектральные методы.
Методы прямого радиовидения регистрируют, как правило, только интенсивность электромагнитного поля. Они, в свою очередь, могут быть разделены по функциональным признакам на две основные группы:
- зондовые методы,
- беззондовые методы. Характерным признаком зондовых методов является процесс построчного или кругового сканирования посредством механического перемещения зонда (приемника, излучателя, рассеивателя) /25-31/, электрической коммутации неподвижных элементов (приемников, рае-сеивателей), образующих матрицу /32-33/, или коммутации фото-управляемых панелей (ФЛІ) /34-37/.
Беззондовые методы объединяют различные модификации способов регистрации интенсивности поля при помощи непрерывных сред и реализуются в схемах, аналогичных оптическим схемам регистрации изображений. Эти методы основаны на тепловом воздействии электромагнитного поля непосредственно на регистрирующие среды или на поглощающие подложки. При этом используются такие свойства веществ, как изменение окраски жидкокристаллических индикаторов /38-40/, рельефа термопластических сред /41/, плотности почернения специально обработанных фотоматериалов /42,43/, интенсивности свечения люминесценции /44-47/ и т.д. Следует отметить, что непрерывные регистрирующие среды хорошо зарекомендовали себя как индикаторы визуального наблюдения интенсивности электромагнитного поля и нашли применение в радиоголографии. Однако технологические трудности, связанные с изготовлением однородных панелей большого формата, а также низкая чувствительность (единицы милливатт на квадратный сантиметр) являются основными препятствиями к широкому применению.
Наряду с задачами регистрации электромагнитных полей большое место отводится задачам получения радиоизображений объектов в диапазоне ШИВ (квазиоптическому радиовидению). Частично эти задачи решают методы радиолокации, однако предпочтение отдается использованию прямых методов регистрации электромагнитных полей совместно с оптическими схемами формирования изображения. При этом системы квазиоптического радиовидения соединяют методы современной когерентной и некогерентной оптики с достижениями техники миллиметровых и субмиллиметровых волн.
В большинстве случаев в схемах квазиоптического радиовидения в качестве регистрирующих устройств используются системы с одиночной сканируемой антенной (зондом) /5-31,48/ или многоканальные системы (ФУП) /34-37,49/. В качестве объективов, формирующих радиоизображение, применяются диэлектрические линзы /33,35, 50,51/, безаберрационные линзовые объективы /52,53/, зонные пластинки миллиметрового диапазона - амплитудные и фазовые /53--55/, а также зеркальные радиообъективы /48,56,57/. Голографиче-ские методы получения радиоизображений, основанные на регистрации и восстановлении амплитудно-фазового рельефа изучаемых полей, направлены на получение более полной информации о свойствах лоцируемого объекта. Перенос общих принципов формирования голограмм, фильтрации и контроля волновых фронтов из оптического диапазона и использование всего арсенала методов прямого радиовидения позволяет решать задачи построения и анализа радиоизображений объектов /58-63/, измерения параметров антенн /64--66/, интроскопии и неразрушающего контроля. Основное отличие при этом состоит в несколько большей роли дифракционных ограничений в силу уменьшения, по сравнению с оптикой, электрических размеров апертур ( -ҐК ), что, однако, частично компенсируется повышением абсолютной точности фазовых измерений из-за резкого увеличения масштаба длин волн. Одной из характерных особенностей голографического метода диапазона Ш&В является возможность искусственного формирования опорной волны, при этом опорное поле имитируется изменением фазы СВЧ сигнала, поступающего непосредственно в тракт приемника. При этом упрощается схема регистрации голограммы и появляется возможность формирования идеальной плоской волны Однако такие схемы не лишены серьезных недостатков, к которым относится, в первую очередь, необходимость жесткой связи (например волноводом) приемного устройства с генератором, что связано с техническими трудностями, особенно в схемах с быстрым механическим сканированием. Новые возможности и перспективные направления исследования голографических методов измерений открывает использование свойств высокодобротных открытых резонаторов ММВ диапазона. Высокая чувствительность к возмущениям резонансного поля и многопроходность системы используются в резонансных датчиках поля с резонансной опорной волной при изучении полей рассеяния объектов и ближних полей излучающих апертур /67/.
Введение опорной волны непосредственно в анализируемую область резонансного волнового пучка и регистрация интерферр.-грамм с помощью слабо возмущающего 0Р зонда позволяет изучать пространственные амплитудные и фазовые конфигурации резонансных пучков, выявлять слабую анизотропию свойств радиопрозрачных диэлектриков /68-72/.
Метод резонансной поляриметрии, основанный на введении в объем резонансного пучка 0Р двух кроссполяризованных опорных полей, дает возможность регистрировать поляризационную структуру волновых пучков и изучать магнито-квазиоптические эффекты в твердых телах /72-74,15/. В ряде практических задач, например в антенной технике, технике связи, наряду с получением радиоизображений и обработкой сигналов классическими методами радиотехники необходимо проводить обработку и анализ амплитудно-фазовых и частотных характеристик радиоизображений. Для этой цели используются методы голографии и когерентной фурье-оптики. При этом совершается переход от обработки одномерной информации (формируемой в обычных каналах связи в виде частотно-временных спектров сигналов) к анализу и фильтрации двумерных образов в виде спектров пространственных частот.
Основным элементом, выполняющим пространственные спектральные преобразования (двумерные преобразования $урье) в оптическом диапазоне, является тонкая линза /75-76/. Физическая сущность методов фурье-оптики заключается в том, что сложное поле на входе системы раскладывается в ряд проетых гармонических сигналов (пространственных конфигураций) и, в зависимости от решаемых задач, этот ряд анализируется в виде пространственных спектров или обрабатывается с последующим восстановлением первоначального вида. При этом использование спектральных представлений пространственных спектров значительно облегчает задачи создания необходимых систем обработки, что обусловлено возможностью применения хорошо разработанного математического аппарата преобразований Фурье. Спектральные методы, основанные на использовании фурье-преобразований, нашли широкое применение при определении характеристик направленности антенн с восстановлением распределений в дальней зоне по результатам измерений амплитудно-фазовых распределений в плоскости раскрыва /76-78/, в схемах корреляционной обработки радиоизображений, распознавания образов /77-80/. Однако представление временной или пространственной функции гармоническими функциями (синусоидальной, косинусоидальной) является одним из многих возможных представлений. Любая полная система ортогональных функций может быть применена для разложения в ряды, подобные рядам фурье /81-83/. В частности, в технике связи используются разложения в ряды по функциям Бесселя /84/, новые возможности в теории информации и технике связи появляются с использованием секвентного анализа /85-86/, основанного на применении ортогональных функций Уолша. Большое значение приобретает также использование классических ортогональных полиномов Якоби, Эрмита, Лагерра в силу их замечательных аппроксимирующих свойств, приводящих в конечном итоге к укорочению вычислительных операций при равной точности по сравнению с разложением по другим ортогональным системам. При этом наиболее легко и естественно реализуемыми являются их представления в виде собственных функций линейных дифференциальных уравнений, с одной стороны, и собственных колебаний линейных систем, с другой. На свойстве ортогональности собственных колебаний линзовых и лучеводных линий основаны спектральные методы модового анализа в квазиоптических волновых пучках /87-90/. При этом амплитуды собственных волн выделяются в результате последовательного выполнения операций умножения исследуемого поля на искусственно сформированное поле, соответствующее выделяемой моде, и интегрирования результата по апертуре корректора. Отличаются методы тем, что описанные операции реализуются с помощью разных способов. В одном случае /87-89/ используются голограммы с записью выделяемых мод или экраны со специальной формой отверстий и фокусирующей линзой-интегратором, в другом /90/ - для формирования эталонных мод применяется гетеродинный лазер, а частоты биений, выделенных при искусственном нарушении ортогональности полей, регистрируются квадратичным детектором. Третий способ основан на использовании в качестве фильтра встроенного в квазиоптическую линию открытого резонатора /23, 24/. Для проведения анализа пучков этими методами необходимо экспериментальное получение собственных полей, что само по себе является достаточно сложной задачей.
Цель настоящей работы заключается в изучении процессов пространственной фильтрации волновых пучков, физическом обосновании и разработке эффективного беззондового метода регистрации и анализа пространственных характеристик электромагнитных полей ММВ.
Исходным моментом для формулировки объекта исследования является то, что в открытой электродинамической системе - двухзер-кальном открытом резонаторе - возбуждаются электромагнитные по ІЗ
ля в виде элементарных полей, являющихся линейно-независимыми в системе координат, связанной с геометрией резонатора. При определенных условиях в ОР может возбуждаться большой набор таких невзаимодействующих полей с вполне определенными функциями распределения в поперечном сечении. Исследуемое электромагнитное поле, возбуждающее ОР посредством распределенного элемента связи, может быть представлено в виде набора собственных волн ОР с определенными коэффициентами, при этом ОР выполняет роль ортогонального пространственного фильтра. Таким образом, объектом исследования является электромагнитное поле и совокупность признаков, его характеризующих: амплитуда и фаза. Изучаются резонансные волновые пучки с распределением поля в заданной плоскости пространства в виде функций Лагерра-Гаусса и Эрмита-Гаусса, а также пространственно-модулированные волновые пучки, ограниченные в поперечном сечении.
Метод исследования основан на радиоголографических принципах изучения пространственной структуры электромагнитных полей. При этом амплитудно-фазовые распределения полей в волновых пучках измеряются с помощью модифицированного метода рассеивающего зонда, с введением опорной квазиплоской волны в объем резонансного поля. Спектральные представления исследуемого поля в плоскости анализа основаны на аппарате фурье-преобразований в классах ортогональных функций Лагерра-Гаусса и Эрмита-Гаусса. Комплексные коэффициенты разложения регистрируются на выходе резонансной системы в виде дискретных наборов значений амплитуд и фаз РКП ОР. Теоретический анализ конкретных задач, возникших в процессе выполнения работы, основан на теории линейных функций и теории дифракции электромагнитных волн.
В соответствии с основной целью работы формулируются конкрет 14ные задачи, которые необходимо решить в рамках диссертационной работы.
1. Построить модель спектрального метода анализа полей, основанного на представлении исследуемого поля в виде ряда ортогональных полиномов с комплексными коэффициентами:
а) рассмотреть идею метода с точки зрения теории целых функций;
б) ограничить класс изучаемых функций и сопоставить им реальные электромагнитные поля;
в) провести математическое моделирование метода с ограниченным числом членов разложения;
г) выяснить реальную разрешающую способность.
2. Создать открытый резонатор с заданными свойствами:
а) разработать и создать универсальную экспериментальную установку для изучения спектральных (пространственная структура поля моды) и энергетических (комплексный коэффициент передачи ОР, добротность) характеристик двухзеркальных ОР;
б) изучить основные свойства многомодовых ОР со сферическими и астигматическими зеркалами;
в) на основании изученных свойств ОР создать резонатор-анали затор с оптимизированными параметрами;
г) определить аппаратную функцию резонатора-анализатора.
3. Исследовать влияние аппаратурных факторов на основные характеристики резонатора-анализатора:
а) изучить характеристики отражения и пропускания входного частично-прозрачного зеркала;
б) изучить влияние внешних экранирующих оболочек,
4. Изучить спектральные характеристики прибора при распределенном возбуждении наклонно падающим волновым пучком.
5. На основе предложенного метода создать лабораторные макеты и показать их работоспособность.
В связи с тем, что значительная часть работы посвящена изучению свойств многомодовых двухзеркальных открытых резонаторов и учитывая большое внимание исследователей к этой электродинамической структуре, следует вкратце остановиться на основных особенностях» изучаемых в работе ОР. Характерным для миллиметрового диапазона волн является то, что основное применение в приборах и устройствах этого диапазона находят резонаторы, размеры которых сравнимы с длиной волны и, более того, основные параметры, определяющие геометрию ОР, равны по порядку величин (fi&L 2a? Л ). Поэтому, несмотря на то, что используемые в теоретических моделях приближения (параксиальность пучков, распределения полей в виде квази-ТЕМ волн) дают в этом диапазоне хорошее качественное описание физических процессов в ОР /2,91,92/, большое значение приобретают экспериментальные исследования свойств ОР в каждом конкретном случае.
При создании резонаторов для лазеров в оптическом диапазоне наибольшее внимание уделялось методам селекции резонансных типов волн и получению одномодовых систем. Задача настоящей работы диаметрально противоположна. Для достижения высокой разрешающей способности метода структурного анализа необходимо использовать многомодовый ОР. В таком резонаторе (это, как правило, ОР с зеркалами "большой апертуры" 2а. Л ) большое значение приобретают изучение и учет взаимного влияния взаимодействующих мод и анализ вырожденных мод. Необходимость иметь "чистый" спектр колебаний ОР, исключая случаи вырождения и взаимодействия мод, потребовала проведения специальных исследований по определению рабочего участка спектра и проверке ортогональности собственных колебаний резонатора, а также привлечения для управления спектром фазовых фильтров и слабоастигматических зеркал. Важной особенностью OP ММВ диапазона является возможность достижения практически полного вырождения собственных продольных мод в многомодовом конфокальном резонаторе, что почти недостижимо в оптическом резонаторе вследствие дефектов поверхности зеркал, юстировки и;проч. Знание свойств вырожденных колебаний и применение спектрального метода анализа для определения структуры этих колебаний в схеме связанных ОР открывает широкие возможности. Поле вырожденного колебания является весьма чувствительным ко всякого рода малым возмущениям. Влияние возмущающих факторов проявляется как в снятии вырождения, так и во взаимном смещении резонансных частот в пределах резонансной кривой вырожденной моды. Это свойство конфокального ОР может быть использовано в радиоспектроскопии для определения локализованных центров поглощения в объеме образца, в дефектоскопии слабых неоднородное-тей, таких, как разноплотность тонких пленок, расслоения в турбулентных газовых средах и т.д. Наряду с возможностями дефектоскопии неоднородностей в образцах, сравнимых с размерами пятен полей ОР, метод спектрального анализа вырожденных колебаний позволит регистрировать изменения диэлектрических параметров малых количеств веществ при определенном расположении их в поле вырожденного колебания.
Структура и краткое содержание работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
Во введении проведен краткий обзор существующих методов изучения и анализа пространственной структуры электромагнитных полей миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн. Сформулирована цель и дано краткое содержание работы. На основе проведенного сопоставительного анализа определены задачи диссертации.
В первой главе формулируется идея спектрального метода анализа амплитудно-фазовых распределений электромагнитных полей ММВ диапазона. Согласно теории целых функций проводится анализ метода, определяется класс функций, подлежащих рассмотрению, и границы применимости метода. Рассматриваются результаты машинного моделирования по разложению и восстановлению рельефов полей га-уссовских пучков. Определяются оптимальные соотношения параметров пучков. Проводится изучение спектральных и энергетических характеристик основного дисперсионного элемента анализатора спектра пространственной структуры полей - открытого двухзер-кального резонатора. Определяется аппаратная функция анализатора при работе в классе аксиально-симметричных функций Лагерра -Гаусса. На основании теоретического анализа и экспериментальных измерений выработаны требования, предъявляемые к параметрам резонансной ячейки, сформулированы задачи оптимизации параметров.
Во второй главе изучаются спектральные характеристики ОР с зеркалами "большой апертуры". Определяются способы снятия вырождения аксиально-симметричных мод ОР в случае малых дифракционных потерь и выясняется возможность анализа полей в классе функций Эрмита-Гаусса. С помощью теории малых возмущений проводится теоретический анализ влияния фазовых фильтров сложной геометрии на спектральный состав ОР. Показано, что применение фильтров позволяет эффективно управлять спектром резонатора.
Теоретические оценки подтверждаются экспериментальным изучением свойств полусимметричного ОР со сферическими зеркалами с введенным в его объем фазовым фильтром. Проводится изучение свойств слабоастигматических двухзеркальных резонаторов. На основе анализа дисперсионного уравнения определяется оптимальная геометрия зеркал и выбирается рабочий участок спектра. Рассматривается целесообразность применения слабоастигматических ОР в качестве резонансной ячейки анализатора спектра.
В третьей главе изучаются и оптимизируются основные параметры резонатора-анализатора. Определяются оптические характеристики (коэффициент отражения и пропускания) тонких металлических пленок, напыленных на диэлектрические подложки и используемых в качестве входных частично-прозрачных зеркал резонатора-анализатора. Определяется добротность и коэффициент передачи мод ОР в зависимости от параметров входного отражателя. Изучается влияние внешних металлических экранов на основные свойства резонатора -анализатора при распределенном возбуждении. Выясняются закономерности изменения структуры резонансных пучков и спектрального состава мод ОР при распределенном возбуждении анализатора наклонно падающим волновым пучком. Определяются диаграммы направленности полусимметричных сферических и астигматических ОР.
В четвертой главе рассматривается комплекс вопросов, относящихся к особенностям использования спектрального метода анализа пространственной структуры полей диапазона ММВ в научных и прикладных исследованиях. Проводится подробный анализ возможностей применения резонатора-анализатора для изучения модового состава и характера вырождения мод в полуконфокальном ОР. Приводятся результаты восстановления структуры поля вырожденной моды по измеренным значениям спектральных коэффициентов. Обсуждаются вопросы применения развитого метода на базе связанных ОР для анализа структуры деформированных волновых пучков. Интересным результатом применения селективных свойств ортогональных фазовых фильтров, расположенных в объеме ОР, является создание специальной проточной кюветы для экспресс-анализа диэлектрических свойств слабопоглощающих жидкостей. Большое внимание уделено практической реализации разработанного метода в лабораторных образцах приборов и устройств, направленных на решение задач скаттеро-метрии, ближней локации и дефектоскопии слабых неоднородностей.
В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе, и определены наиболее перспективные направления дальнейших исследований.
Основные положения работы, выносимые на защиту, состоят в следующем:
1. Проведено систематическое теоретическое и экспериментальное изучение пространственной фильтрации электромагнитных полей с использованием свойств симметрии резонансных полей и дискретных представлений пространственных сигналов. Показана перспективность нового подхода к формированию и анализу структуры волновых пучков в диапазоне ММВ.
1.1. Изменение топологической структуры фазовых фильтров приводит к селекции углового спектра резонансного волнового пучка, что позволяет управлять спектром колебаний ОР и пространственной конфигурацией резонансных полей. Найдены оптимальные условия,при которых двухзеркальный ОР работает как ортогональный пространственный фильтр.
1.2. Определены особенности возбуждения ОР рассогласованным несоосным гауссовским пучком. Структура мод "прямоугольной" геометрии остается неизменной при любых углах возбуждения, а структура аксиальных мод - в пределах углов, соответствующих ширине осевого лепестка диаграммы направленности. Этот установленный факт можно положить в основу решения задачи пространственной фильтрации экспериментальным методом.
1.3. Расположение ОР внутри металлических цилиндрических экранов приводит к увеличению нерезонансного фона на 0,5-3 дБ при распределенном возбуждении и появлению в спектре ОР мод цилиндрического резонатора при сосредоточенном возбуждении. Предложены способы, позволяющие устранить влияние экрана на спектральные характеристики ОР.
2. На основе проведенных исследований разработан новый спект 20 ральный метод анализа и восстановления амплитудно-фазовой структуры пространственно-модулированных ограниченных волновых пучков, основанный на дискретном преобразовании пространственного сигнала с помощью систем ортонормированных функций. В качестве ортогонального фильтра предложено использовать квазиоптический 0Р с распределенной связью.
2.1. Найдена оптимальная область разрешения по пространственной частоте, в пределах которой ошибка аппроксимации ограниченной функции с помощью конечного набора функций Эрмита-Гаусса (Ла-герра-Гаусса) не превышает 10% при заданном числе членов разложения.
2.2. Экспериментально установлено, что при добротности ОР & -= 8 тыс. в области дисперсий mi„ =0,02 условие ортогональности мод выполняется в динамическом диапазоне 0-30 дБ.
3. Использование принципов пространственной фильтрации волновых пучков позволило создать ряд устройств, в которых выгодно сочетаются голографический способ изучения объекта и спектральный способ представления информации.
3.1. Разработана методика анализа пространственной структуры резонансных полей в областях вырождений квазиоптического ОР и проведено изучение модового состава и характера вырождения мод в полуконфокальном ОР.
3.2. Создана дифференциальная кювета, обеспечивающая измерение диэлектрических параметров в динамическом режиме.
3.3. Осуществлена возможность анализа и восстановления радиоизображений объектов с помощью фурье-анализатора антенного типа и показано, что применение спектрально-корреляционных методик для обработки получаемых с помощью развитого метода данных обеспечивает возможность выделения характерных признаков изучаемых объектов. Диссертация содержит 145 страниц основного текста, 47 страниц рисунков, список литературы из 180 наименований на 19 страницах.
Работа соответствует комплексной научной программе Института "Фундаментальные исследования в области миллиметровых и субмиллиметровых волн и использование их результатов в народном хозяйстве". Ее результаты являются составной частью НИР, выполнявшихся в Институте радиофизики и электроники АН УССР, и вошли в научно--технические отчеты: "Дискус" /2/, "Орнатус" /180/.
По теме диссертации опубликована 21 работа.
Основные результаты работы неоднократно докладывались и обсуждались на научных семинарах отдела, на конференциях молодых ученых и специалистов ИРЭ АН УССР, на всесоюзных научно-технических конференциях: Всесоюзной научной конференции "Физика диэлектриков и новые области применения" (Караганда, 1978); Ш Всесоюзной конференции по голографии (Ульяновск, 1978); П Всесоюзном симпозиуме по миллиметровым и субмиллиметровым волнам (Харьков, 1978); ІУ Всесоюзной конференции "Метрология в радиоэлектронике" (Москва, 1978); Ш Всесоюзном научно-техническом совещании "Контроль толщины покрытий и его метрологическое обеспечение" (Рига, 1979); I Всесоюзной межвузовской научно-технической конференции "Оптические и радиоволновые методы и средства неразрушающего контроля качества материалов и изделий" (Фергана, 1981); Ш Всесоюзном симпозиуме по миллиметровым и субмиллиметровым волнам (Горький,1980); Всесоюзной конференции "Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле" (Хабаровск, 1981).
Открытый резонатор - дисперсионный элементанализатора спектра
Для изучения свойств 0Р, а также для реализации спектрального метода анализа полей была создана универсальная экспериментальная установка, позволяющая проводить исследования в двухмиллиметровом диапазоне волн /94,95/. Блок-схема и фото установки приведены на рис. 1.9. Реализована двухканальная схема с предметным и опорным каналами для проведения амплитудных и фазовых измерений. На рис.1.9а приведены также исследованные электродинамические структуры: 1) двухзеркальные 0Р со сферическими зеркалами круглой и прямоугольной апертуры с сосредоточенными элементами связи; 2) полусимметричные 0Р с плоским и сферическим зеркалами с сосредоточенными элементами связи и с распределенным возбуждением посредством частично-прозрачного входного зеркала; 3) связанные 0Р с промежуточным частично-прозрачным зеркалом. Блок-схема и фото экспериментальной установки. 0 = 20 мм. В качестве источника миллиметровых волн применялся генератор дифракционного излучения - ГДИ-2. Высокочастотный сигнал с генератора, после прохождения развязывающего аттенюатора с постоянным затуханием т б дБ, модулировался по амплитуде полупроводниковым модулятором на частоте I кГц. Далее предметный канал содержал фазовращатель и элемент возбуждения исследуемой электродинамической структуры: волноводную щель - при сосредоточенном возбуждении и рупорную антенну - при распределенном. Схема предусматривала два режима работы резонатора: "на проход" и "на отражение". В режиме "на проход" сигнал с выхода ОР через направленный ответвитель поступал в опорный канал и в схему измерения амплитуды резонансного коэффициента передачи ОР, в котором детектировался, усиливался селективным усилителем У2-6 (У) на частоте амплитудной модуляции и поступал на регистрирующее устройство (Р). В качестве детектора высокочастотного сигнала использовался полупроводниковый кристаллический диод с игольчатым контактом. Регистрирующим устройством служили осциллограф CI-68 или самописцы - скоростной Н338/3 и двухкоординатный ПДП4-002. Опорный канал содержал измерительный аттенюатор, поляризационный фазовый модулятор /102,103/, питаемый от низкочастотного генератора (Г), и двойной волноводный мост, на котором смешивались сигналы из опорного канала и с выхода ОР.
Зеркала резонатора крепились в юстируемых обоймах на направляющей катетометра КМ-8. Входное зеркало располагалось неподвижно, а выходное (с участком схемы) - на подвижной каретке, связанной с устройством продольного перемещения. Точность отсчета расстояний между зеркалами составляла 0,005 мм и обеспечивалась оптической системой катетометра. Использование КМ-8 позволило осуществить плавное и соосное перемещение зеркал одно относительно другого и возможность измерения расстояния между ними, что в целом имеет большое значение при изучении свойств ОР в ММВ диапазоне. Поступательное перемещение выходного зеркала вдоль оси ОР синхронизировалось с разверткой луча осциллографа и скоростью протяжки ленты самописца. Для изучения амплитудного распределения поля резонансного колебания в поперечном сечении ОР использовалось механическое сканирующее устройство /104/ с размерам анализируемого поля 70 х 70 мм в временем формирования кадра 40 сек.
Зеркала резонатора изготавливались из меди и алюминия, рабочая поверхность обрабатывалась по 14 классу чистоты. Сосредоточенные элементы связи были выполнены в виде сужающихся к поверхности зеркала волноводов со щелью 1,6 х 0,03 мм и располагались в центрах зеркал. При таком виде связи в резонаторе возбуждались только моды с отличным от нуля значением вектора напряженности электрического поля на оси системы. Этим модам соответствуют функции Лагерра-Гаусса с С = 0 и функции Эрмита-Гаусса с четными /7? и /7 . В качестве частично-прозрачных входных зеркал использовались элиминированные кварцевые пластины и лавсановые пленки.
В соответствии с требованиями к анализатору пространственной структуры полей, определенными в I.I, нами были изучены такие основные характеристики резонаторов, как спектральный состав, распределения полей мод в поперечном сечении и нагруженные добротности 0Р на каждой из мод. Рассмотрим используемые для этого методики.
Наборы значений Кр (в дБ или отн.ед.) и А?р (в градусах) являются амплитудным и фазовым спектрами. Измерения сдвигов фаз Л Рр проводились путем сравнения сигнала с выхода ОР с опорным сигналом, фаза которого изменялась по линейному закону с помощью поляризационного фазового модулятора /102/. В зависимости от фазовых соотношений опорного и измеряемого сигналов на выходе (Н-плече) двойного волноводного моста формировался амплитудно-модулированный (с частотой фазовой модуляции) высокочастотный сигнал. Начальная фаза низкочастотной огибающей, равная й І р , выделалась (после детектирования СВЧ сигнала) на низкочастотном фазометре Ф2-ІЗ при сравнении с опорным НЧ сигналом с генератора, питающего фазовый модулятор. Значения Квр и Л І р определялись по показаниям стрелочных индикаторов на У2- 6 и Ф2-ІЗ при ручной настройке ОР в резонанс. Кроме того, амплитудный спектр в виде последовательности резонансных импульсов положительной полярности с амплитудами, пропорциональными Квр , и фазовый спектр в виде импульсов обеих полярностей с амплитудами, пропорциональными Afpt в пределах (-180) -- (180) могли быть синхронно записаны на ленте самописца при перемещении зеркала вдоль оси с помощью механизма сканирования. 2. Изучение распределения поля резонансного колебания в поперечном сечении ОР осуществлялось с помощью метода реактивного зондирования /91/. Его сущность состоит в том, что в объем резонатора вводится пробный зонд (малого, по сравнению с Л , поперечного сечения) из материала, поглощающего или рассеивающего СВЧ энергию, и регистрируется изменение коэффициента передачи ОР при перемещении зонда. В нашем случае использовалась графитовая сфера 0«4О\. Механическое устройство сканирования зонда позволяло регистрировать РКП ОР, определяющий величину интенсивности поля в точке положения зонда, в виде кривых на ленте двухкоординатного самописца, а также визуально наблюдать на экране осциллографа яркостные картины полей при быстром построчном сканировании.
Распределение фазы резонансного колебания в поперечном сечении ОР измерялось с помощью метода, развитого в работах /68-72, 106/. В его основу положено введение в объем анализируемого резонансного поля фазсмодулированной опорной квазиплоской волны. Интерференция этой волны с внутренним полем ОР приводит к появлению на выходе резонансной системы амплитудно-модулированного коэффициента передачи ОР (на частоте фазовой модуляции). Фаза низкочастотной огибающей является функцией координаты положения зонда в ОР. Использование селективных усилителей, выделяющих полезные сигналы на частотах амплитудной модуляции ( з? I кГц) и фазовой модуляции ( » 130 Гц) позволило одновременно регистрировать амплитудно-фазовую структуру электромагнитного поля резонансного колебания в произвольном сечении резонатора.
Спектральные свойства резонатора со сложным фазовым фильтром
Было показано, что наличие неоднородности в объеме ОР приводит к селекции типов колебаний, а деформация зеркал искажает структуру поля пучка, что затрудняет получение большого набора невырожденных собственных мод ОР. В связи с этим представляет интерес использование слабых фазовых неоднородностей в ОР для управления спектром собственных мод /121/. Такие неоднородности можно рассматривать как ортогональные фазовые фильтры, выполняющие пространственную фильтрацию волновых пучков высших порядков. Ограничимся рассмотрением фазовых фильтров с элементами, симметричными относительно осей прямоугольной системы координат /95, 121, 122/; при этом автоматически накладывается ограничение на пространственную конфигурацию пучков в ОР с фильтром. Рассмотрим фазовые фильтры в виде диэлектрических пластин со ступенчатым изменением диэлектрической проницаемости В , расположенные перпендикулярно оси резонатора вблизи фокальной плоскости сферического зеркала.
В качестве малых возмущающих тел будем рассматривать тонкие диэлектрические слои со скачкообразным изменением диэлектрической проницаемости. При этом будем считать, что среда в пределах слоя изотропна и обладает пренебрежимо малым поглощением, тогда дё. = -о А : 0 - скалярная вещественная величина и AJU =ju-ju0 -О Фазовый фильтр в виде тонкой диэлектрической пластинки, расположенной в объеме ОР, можно характеризовать фактором, определяющим его пространственную конфигурацию f(ку) = д и толщиной h (при Л - -Л ), которая является малым параметром. Очевидно, что приращение частоты будет близко к нулю, если фазовый фильтр расположить в "узле" электрического поля, и максимальным при расположении фильтра в "пучности" поля.
Такой расчет был проведен при изучении влияния описанных выше фазовых фильтров на трехкратно и пятикратно вырожденные (32 = 3, X = 5) аксиально-симметричные моды ТЕМ де и ТШог% В пеР вом случае Ер Уог + Що , во втором Ер - % %о + 2г + %з+%/-В таблице 2.3 приведены рисунки рассмотренных фильтров и выражения для относительных сдвигов частот Щ„л четно-симметричных ТШм , гШ 22о » ЧШц}- и нечетно-симметричных WAJf0 , WA/S0 типов колебаний ОР в случае 2 = 5, а также общие выражения для произвольных /л и л
Таким образом, с помощью метода малых возмущений можно рассчи 81 тать влияние фазовых фильтров с определенным формфактором FfayJ на спектральный состав ОР. При использовании таких фильтров представляет интерес определение параметра z/w (либо /w ), при котором вырождение определенной моды снимается полностью и возмущенные моды расположены в спектре ОР на эквидистантных расстояниях. Такую оценку можно сделать, во-первых, из анализа графических зависимостей ow от /w , и, во-вторых, вычислив CL/WB каждом конкретном случае. Рассмотрим воздействие фильтра с формфактором ( ,{/) -/(Ko)- f 9 соответствующим фильтру (№ 2 табл.2.3) в виде двух диэлектрических шторок, на аксиально-симметричную моду ЧШ 02а При этом максимальное возмущение фильтр окажет на четно-симметричную моду ТЕМ л и минимальное - на моду ТЕМ л . Определим &/w в случае равенства разности сдвигов частот указанных мод:
Использовав выражения (2.15) и (2.21) и выполнив алгебраические преобразования, получим уравнение шестой степени относительно а/и/ которое легко сводится к кубическому. Одним из корней этого уравнения является искомое значение а/н/ = 1,25. При этом значении параметра a/w вырождение моды ТЕМ л снимается полностью и расщепившиеся моды находятся на одинаковых расстояниях друг относительно друга по частотной шкале. Аналогично определяются оптимальные значения параметра зДі/ для других фазовых фильтров. Следует отметить, что с увеличением порядка расщепившихся мод (увеличение индексов /77 и л ) порядок решаемого уравнения возрастает, что приводит к очевидным трудностям.
Согласно полученным выражениям нами рассчитано влияние рассмотренных фильтров на спектральный состав ОР и получены зависимости сдвигов частот ряда мод от а/\у. Экспериментальное изучение OP с фазовыми фильтрами проводилось на установке, описанной в 1.2, на частоте 150 ГГц в области расстояний между зеркалами, близкой к полуконфокальной (// & 0,45). 0Р состоял из плоского ( /- ) и сферического ( fig = 80 мм) зеркал прямоугольной апертуры ( 2 а. » 80мм) с элементами связи в виде щелей в центре. По параметрам резонатор можно классифицировать как 0Р с зеркалами "большой апертуры" ( 2as Х , Zj L ). Дифракционные потери в таком 0Р, как уже указывалось, малы для большинства мод, поэтому спектр собственных колебаний резонатора состоит из набора аксиально-симметричных типов колебаний, аппроксимируемых в цилиндрической системе координат функциями Лагерра-Гаусса.
Используемые фазовые фильтры изготавливались из лавсановой пленки толщиной /) = 0,02 мм и S = 3,2. Элементы фильтров закреплялись в юстируемой обойме, предусматривающей их взаимное перемещение в плоскости х,у (перпендикулярной оси 0Р); кроме того, обойма с фильтром имела возможность плавно перемещаться вдоль оси резонатора. Элементы фильтров располагались строго в одной плоскости без взаимных смещений. Фазовый фильтр помещался в пучность электрического поля настроенного в резонанс резонатора перпендикулярно его оси на расстоянии » b/z от плоского зеркала. Расположение вблизи плоского зеркала предусматривает наличие плоского фазового фронта распространяющегося в 0Р волнового пучка в плоскости фильтра. Кроме того, положение фильтра в пучности поля и параллельность элементов определялись по максимальному смещению частоты вырожденной моды при полном заполнении плоскости фильтра диэлектриком (в этом случае, при расположении элементов фильтра в одной плоскости, вырождение не снимается). Для приведенных в таблице 2.3 фильтров № I и № 3 предельный переход выполняется при а=6?а3% для фильтров № 2 и № 4 при о. = = 6 = 0, для фильтра № 5 при a. aSt = 0. Эксперименты проводились на фиксированной частоте, поэтому резонансные расстояния между зеркалами регистрировались при перемещении одного зеркала относительно другого. Влияние фильтра при этом приводило к сдвигу резонансного расстояния расщепившихся мод.
Влияние внешних металлических экранов на основные свойства резонатора-анализатора
В ряде случаев необходимо учитывать влияние внешних поверхностей, расположенных вблизи ОР. Эта задача является актуальной при реализации метода структурного анализа в конкретных устройствах. В настоящем параграфе приведены результаты экспериментального изучения спектральных характеристик открытых резонаторов, расположенных в металлических экранах, в 2-миллиметровом диапазоне волн и определены способы, позволяющие устранить нежелательные эффекты /129,130/.
Рассмотрим симметричный ОР со сферическими зеркалами, возбуждаемый через волноводное отверстие связи в центре одного из зеркал. Спектр собственных колебаний определяется дисперсионным уравнением (1.45), при этом характерной особенностью колебаний является наличие у них каустической поверхности. Присутствие в ОР нерезонансной части поля - нерезонансного фона (I.I5) - приводит к тому, что при сосредоточенном возбуждении ОР часть энергии источника Wop идет на возбуждение дискретного спектра OP, а нерезонансный фон включает в себя энергию Woe » излучаемую источником на бесконечность, и энергию поля W o претерпевающего небольшое число переотражений. В случае ОР со сферическими зеркалами Wgeo сводится к минимуму за счет образования каустической поверхности.Поэтому основная часть энергии идет на возбуждение дискретного спектра,а уровень нерезонансного фона в высокодобротных резонаторах составляет (-30) 440)дВ относительно уровня РКП.
В случае возбуждения ОР через прямоугольное отверстие связи в центре зеркала линейно-поляризованной волной с наибольшей вероятностью возбуждаются колебания типа ТЕ//7 . Кроме того, возможно возбуждение других типов волн за счет внутренних связей при условии, что отверстие - не единственная неоднородность резонатора.
Поскольку в образовании колебаний ЦР участвуют лучи, распространяющиеся под большими углами к оси ОР, то из рассмотрения соотношений волновых векторов волн, составляющих колебания ОР и ЦР, следует, что частота осцилляции структурной функции поля для колебаний ОР меньше, чем для колебаний ЦР ( Лгор Лгцр)9 а частота продольных волн ОР больше (Л л? ) гцр)» Селекция высших типов колебаний и ухудшение резонансных свойств ЦР могут быть достигнуты за счет увеличения радиационных потерь, а именно: введением кольцевой щели, перекосом или деформацией цилиндра.
На рис.3.86 приведены огибающие коэффициентов передачи резонатора (с параметрами зеркал R3- ЗОЛ , 2а = 15 )расположенного в медном цилиндрическом экране сі/2а =1,6. Наблюдается изменение монотонной зависимости коэффициентов передачи мод ОР от величины L/Rj (кривые 1,2,3), что связано, по-видимому, с меж-модовым взаимодействием собственных колебаний ОР и ЦР и появлением в спектре низкодобротных колебаний ЦР (кривая 4). Распределение поля этого колебания (рис.3.96) в поперечном сечении ОР имеет высокую пространственную частоту и отличную от нуля амплитуду поля на краях сферических зеркал.
Наибольшие изменения в спектре ОР происходят при соосном расположении зеркал резонатора и цилиндрического экрана. Разъюсти-ровка экрана относительно оси приводит к появлению ассиметрии в структуре поля колебания ЦР и при углах более 3 - к срыву этих колебаний. Следует, однако, заметить, что поворот экрана приводит также к сильному возрастанию нерезонансного фона на отдельных участках спектра. К ухудшению условий возбуждения колебаний ЦР приводит также уменьшение радиусов кривизны зеркал резонатора при неизменном d/2a и увеличение размеров кольцевой щели между зеркалами резонатора и цилиндрической поверхностью экрана при неизменных параметрах резонатора. Однако в реальной ситуации не всегда возможен поворот экрана относительно оси ОР или увеличение его диаметра. Рассмотрим влияние цилиндрического экрана и неоднородности в виде кюветы на спектральные свойства резонансной ячейки радиоспектрометра, выполненной в виде связанных открытых резонаторов (рис.3.10). Цилиндрический экран в конструкции ячейки выполняет функции направляющей поверхности для взаимного перемещения зеркал резонатора и является узлом их крепления. Его радиус ограничен размерами полости соленоида, в которой располагается резонансная ячейка.
При введении в объем 0Р кварцевой кюветы, которая заполняется исследуемым веществом, резонансные свойства 0Р существенно ухудшаются. Несмотря на то, что поперечный размер кюветы выбран из условия минимального возмущения поля 0Р, т.е. ее толщина кратна половине длины волны в материале кюветы,и границы расположены в узлах электрического поля стоячей волны резонансной моды, добротность резонансных колебаний уменьшается и составляет 3-5 тыс. вместо 10-12 тыс в 0Р без возмущений. Нерезонансный фон на некоторых участках спектра достигает значений (-4) - (-5) дБ относительно уровня интенсивности низшей моды (рис.3.Ив). В данном случае незначительное влияние кюветы на свойства 0Р без экрана существенно усиливается влиянием цилиндрической оболочки. Поворот экрана относительно оси резонатора и увеличение параметра d/2a, приводящие к частичному устранению влияния экрана, в данном случае неприменимы. Одним из путей решения этого вопроса явилось расположение по внутренней поверхности цилиндра узких кольцевых диафрагм. Высота диафрагм и период расположения подбирались экспериментально. При этом в спектре остались только моды 0Р. Относительный уровень нерезонансного фона удалось уменьшить до -20 дБ после того, как вдоль образующей цилиндра были прорезаны узкие продольные щели. При этом достаточным оказалось изготовление нескольких щелей в плоскости, параллельной вектору электрического поля, в случае возбуждения 0Р линейно-поляризованной волной. Пример участка спектра собственных колебаний 0Р с применением указанных мер приведен на рис. З.Иг. Как видно из проведенного экспериментального анализа,применением специальных мер можно устранить нежелательное влияние на спектральные свойства ОР как внутренних, так и внешних неоднородно ст ей.
Рассмотрим далее влияние экранов на свойства ОР при распределенном возбуждении через частично-прозрачное входное зеркало.Как было указано, с такой конструкцией ОР приходится сталкиваться при использовании резонатора-анализатора в резонансной ячейке радиоспектрометра (рис.ЗЛО), в схемах формирования и анализа ра-диоизабражений, т.е. в реальных приборах, использующих спектральный метод анализа пространственной структуры полей ММВ. При этом распределения анализируемых полей в плоскости входного зеркала могут быть произвольными, а именно: волновые пучки, сформированные линзовыми или лучеводными линиями передачи, пучки в виде квазиплоской или сферической волн и т.д.
Следует отметить, что при распределенном возбуждении ОР необходимо исключить довозбуждение резонатора за счет дифракции волн на входном отражателе. Это может быть достигнуто расположением поглощающего или рассеивающего экрана большого диаметра в плоскости входного отражателя или расположением резонатора в цилиндрическом экране.
Ортогональный фазовый фильтр - проточная кювета для измерения диэлектрической проницаемости жидкостей
Одним из результатов, полученных при изучении влияния фазовых фильтров на спектральные свойства ОР, явилось создание дифференциальной кюветы, используемой в резонаторном методе измерения комплексной диэлектрической проницаемости слабопоглощающих жидкостей /156/.
Среди известных методов современной диэлектрометрии /157-170/ наиболее эффективными общепризнаны резонаторные методы /160-167/, обеспечивающие высокую точность проводимых измерений. Однако применение этих методов для измерения параметров жидких диэлектриков связано с рядом трудностей и, в частности, с необходимостью учета конструктивных особенностей используемых кювет и свойств материалов, из которых кюветы изготовлены. Кроме того, применение в диапазоне МЫВ высокодобротных многомодовых ОР в значительной степени затрудняет идентификацию резонансных колебаний и накладывает жесткие требования на стабильность СВЧ ис точника.
Рассмотренный в настоящем параграфе резонаторний метод измерения комплексной диэлектрической приницаемости жидкостей основан на использовании дифференциальной кюветы и лишен ряда указанных выше недостатков /156/. Метод может эффективно применяться в тех случаях, когда диэлектрические характеристики исследуемых жидкостей изменяются в небольших пределах, например при проведении непрерывного технологического контроля S .
Идея метода основана на известном влиянии ортогонального фазового фильтра на спектральные характеристики двухзеркального ОР /95,121/, а именно: на свойстве такого фильтра (в силу особенностей его геометрии) избирательно возмущать вырожденную по частоте собственную резонансную моду ОР.
Конструктивно кювета выполнена в виде фильтра прямоугольного сечения и состоит из двух частей - сплошной пластины 3 и ответной пластины 2 с выфрезерованным продольным пазом шириной 2а и глубиной h (рис.4.4). Пластины изготавливаются из радиопрозрачного диэлектрического материала с низкими потерями и известными значениями и Цо на рабочей длине волны. Поверхности пластин тщательно притираются, после чего плотно соединяются между собой. При необходимости пластины могут быть склеены тонким слоем стойкого к растворителям клея. На периферийной части пластины 3 диаметрально противоположно расположены два сквозных отверстия с вклеенными в них трубками 4 для заполнения кюветы исследуемой жидкостью, а также для обеспечения протекания жидкостей в режиме динамического контроля параметров.
В собранном виде общая толщина кюветы составляет величину, кратную половине рабочей длины волны, что позволяет устранить паразитные переотражения от торцевых граней. Кювета располагается на плоском зеркале I полусимметричного ОР в кольцевой эбонитовой обойме 5, плотно прижимающей кювету к металлической поверхности зеркала. Расположение кюветы непосредственно на плоском зеркале позволяет эффективно согласовывать поля в кювете и в ОР и упрощает юстировку кюветы.
Область кюветы, заполняемая исследуемой жидкостью, располагается в пучности электрического поля собственного колебания ОР, при этом ее глубина / «Х. Учитывая тот факт, что радиус гауссов-ского пучка в области плоского зеркала, определяемый геометрией ОР, составляет в рассматриваемом случае w 2,6K , а длина щели превышает размер апертуры зеркала cf=/SA , можно с полным основанием пренебречь влиянием продольного размера кюветы на характеристики резонатора. В случае измерения малых разностей диэлектрических проницаемостей слабопоглощающих раствора и растворителя может быть использована 3-секционная кювета с раздельным заполнением внутренних и внешних частей.
Таким образом, пустая кювета помещается в поле первой высшей аксиально-симметричной ТЕМ., моды ОР, которая является двукрат-но вырожденной. Действие такого фильтра приводит к ее расщеплению на две моды цилиндрической геометрии: Тй\02а и M\f0 - с ориентацией пя:ен полей вдоль осей и /95,121/; при этом оптимальная ширина полой щели в кювете определяется из условия максимального расщепления резонансных мод. Частотное вырождение снимается вследствие различных комплексных приращений частоты, получаемых модами ТЕМ 02(, и ТЕМ - , относительно частоты вырожденной моды {acbl/u)0 -(и}і-и 0)/іОо)Л\щ этом вещественная часть приращения (л ш;/а)= е (аші/из0))соответствует сдвигу резонансной частоты (резонансного расстояния между зеркалами).обусловленному фазовой задержкой электромагнитной волны при многократном прохождении через исследуемый обралец,а мнимая часть {bw"/u)0 = Jm(&wi/w0) )_ уширєнию резонансной кривой за счет поглощения.
