JP2008064653A - Spectrometer - Google Patents

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積 新竹
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  • Measuring Frequencies, Analyzing Spectra (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spectrometer for simultaneously measuring electric power component ratios of electromagnetic wave at a plurality of different frequencies without sweeping. <P>SOLUTION: A rectangular waveguide 2 where cut-off frequency gradually increases with the distance from the end surface of an opening includes a plurality of antennas 5 for measuring the intensity of the electromagnetic wave disposed in the axial direction on the inner surface of the rectangular waveguide 2, the intensities of the electromagnetic wave of the cut-off frequency corresponding to the positions of respective antennas 5 are simultaneously measured by the antennas 5. As the rectangular waveguide 2 where the cut-off frequency increases with the distance from the end surface of the opening, a waveguide of a tapered shape or a step shape can be employed. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、電磁波のスペクトル測定技術に関し、特に、広い周波数範囲にわたって電磁波のスペクトルを測定することのできる技術に関する。   The present invention relates to an electromagnetic spectrum measurement technique, and more particularly to a technique capable of measuring an electromagnetic spectrum over a wide frequency range.

マイクロ波やそれ以下の周波数において、そのスペクトルを測定するためにはスペクトルアナライザが広く用いられている。スペクトルアナライザは、外部から入力された被測定高周波信号を、装置内の周波数が既知の局部発振器の高周波信号と、ダイオードミキサーを用いたダウンコンバータによって、差周波数の成分(通称、中間周波と呼ばれる)を取り出し、これを増幅、検波する。さらに、局部発振器の周波数を掃引することで、被測定高周波のスペクトルを測定する。スペクトルアナライザは、長年の歴史があり、周波数、電力ともに高い精度で測定する技術が確立されている。   Spectrum analyzers are widely used to measure the spectrum at microwaves and lower frequencies. A spectrum analyzer uses a high-frequency signal input from the outside to generate a difference frequency component (commonly called an intermediate frequency) by using a high-frequency signal from a local oscillator with a known internal frequency and a down-converter using a diode mixer. Is extracted, amplified and detected. Further, the spectrum of the high frequency to be measured is measured by sweeping the frequency of the local oscillator. Spectrum analyzers have a long history and have established techniques for measuring both frequency and power with high accuracy.

また、最近になって、スペクトルアナライザの局部発振器を掃引することなく、高速のデジタルAD変換器によって、中間周波信号をデジタル信号に変換し、これを連続的に高速FFT変換して、広い周波数のスペクトルを同時測定する技術が開発されている。   Also, recently, an intermediate frequency signal is converted into a digital signal by a high-speed digital AD converter without sweeping the local oscillator of the spectrum analyzer, and this is continuously subjected to a high-speed FFT conversion to obtain a wide frequency. Technologies have been developed to measure spectra simultaneously.

一方、ミリ波からテラヘルツ波の高い周波数領域においては、上記のようなスペクトルアナライザが存在しない。このような高い周波数のスペクトルの検出は、高周波電力を空間を伝わる電磁波ビームとして取り扱い、回折格子を用いて波長分解し、ボロメータや半導体検出器によって電力を検出し、回折格子を回転して波長を掃引することによって行われている
特開昭62−201373号公報 特開平01−035386号公報 特開平05−264609号公報 特開平09−051307号公報
On the other hand, there is no spectrum analyzer as described above in a high frequency region from millimeter waves to terahertz waves. Such high-frequency spectrum is detected by treating high-frequency power as an electromagnetic wave beam traveling in space, wavelength-decomposing using a diffraction grating, detecting power with a bolometer or semiconductor detector, and rotating the diffraction grating to change the wavelength. Is done by sweeping
Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-201373 Japanese Patent Laid-Open No. 01-035386 JP 05-264609 A Japanese Patent Laid-Open No. 09-051307

しかしながら、上記の従来技術には、以下のような問題点が存在する。   However, the above-described conventional techniques have the following problems.

上述したスペクトルアナライザでは、掃引に時間がかかり、複数の周波数での電力を同時測定できない。特に、パルス性の電磁波のスペクトルを周波数掃引によって計測することは、きわめて効率が悪い。   In the spectrum analyzer described above, sweeping takes time, and power at a plurality of frequencies cannot be measured simultaneously. In particular, measuring the spectrum of a pulsed electromagnetic wave by frequency sweeping is extremely inefficient.

また、デジタル方式のスペクトルアナライザでは、複数の周波数のスペクトルを同時測定することができるが、1GHz以上のマイクロ波周波数を測定することは実用化されていない。   In addition, a digital spectrum analyzer can simultaneously measure a spectrum of a plurality of frequencies, but measuring a microwave frequency of 1 GHz or more has not been put into practical use.

また、回折格子を用いた方法は、入射電磁波ビームを正しい角度で回折格子に入射させる必要がある。現実の実験では、入射電磁波ビームの位置と方向を正確に決定できない場合が多く、したがって、測定が困難となる場合が多い。また、散乱波によってスペクトル測定が困難となる場合も多い。   In addition, the method using a diffraction grating requires an incident electromagnetic wave beam to be incident on the diffraction grating at a correct angle. In actual experiments, there are many cases where the position and direction of the incident electromagnetic wave beam cannot be accurately determined, and thus measurement is often difficult. Moreover, spectrum measurement is often difficult due to scattered waves.

本発明は、上記実情を鑑みてなされてものであって、その目的とするところは、広い周波数範囲のスペクトルを同時測定可能なスペクトロメータを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a spectrometer capable of simultaneously measuring a spectrum in a wide frequency range.

上記目的を達成するために、本発明に係るスペクトロメータは以下のような構成によって、電磁波のスペクトルを測定する。すなわち、本発明に係るスペクトロメータは、開口端面からの距離にしたがって遮断周波数が次第に高くなる導波管と、この導波管の内部に該導波管の軸方向に設けられた電磁波の強度を測定する複数の測定部とを有する。そして、これら複数の測定部によって、各測定部が設けられた位置に対応する遮断周波数の電磁波の強度を測定する。   In order to achieve the above object, the spectrometer according to the present invention measures the spectrum of electromagnetic waves with the following configuration. That is, the spectrometer according to the present invention has a waveguide whose cutoff frequency gradually increases according to the distance from the opening end surface, and the intensity of electromagnetic waves provided in the axial direction of the waveguide inside the waveguide. A plurality of measurement units for measurement. And the intensity | strength of the electromagnetic wave of the cutoff frequency corresponding to the position in which each measurement part was provided is measured by these some measurement parts.

導波管は、開口端面からの距離にしたがって遮断周波数が次第に高くなる。これは、遮断周波数が単調増加(真の単調増加および非減少の双方を含む)するということである。このような導波管としては、断面の寸法が開口端面からの距離に応じて連続的に減少する構成を採用することができる。また、断面の寸法が開口端面からの距離に応じて段階的に減少する構成を採用することもできる。具体的には、導波管として矩形導波管を採用し、断面矩形の横幅が連続的に減少する構成や、断面矩形の横幅が段階的に減少する構成を採用することができる。ここで、矩形導波管の断面矩形において、高さを横幅の半分以下とすることで偏波面の向きを限定することができる。なお、導波管の具体的な形状は、上記以外であっても、遮断周波数が次第に高くなる構成であれば、どのような形状を採用しても構わない。   The cutoff frequency of the waveguide gradually increases according to the distance from the opening end face. This means that the cut-off frequency increases monotonously (including both true monotonic increase and non-decrease). As such a waveguide, a configuration in which the cross-sectional dimension continuously decreases in accordance with the distance from the opening end face can be employed. Further, it is possible to adopt a configuration in which the dimension of the cross section gradually decreases in accordance with the distance from the opening end surface. Specifically, a configuration in which a rectangular waveguide is employed as the waveguide and the lateral width of the cross-sectional rectangle continuously decreases, or a configuration in which the lateral width of the rectangular cross-section decreases stepwise can be employed. Here, in the rectangular cross-section of the rectangular waveguide, the direction of the polarization plane can be limited by setting the height to half or less of the lateral width. The specific shape of the waveguide may be any shape other than the above as long as the cutoff frequency is gradually increased.

測定部は、その測定部が設けられた位置における電磁波の強度に対応する物理量を測定可能なものであればどのようなものであっても構わない。例えば、測定部を、アンテナと、このアンテナから取得された電磁波を低い周波数の電磁波として取り出す整流検波部を有する構成とすることができる。また、測定部を、アンテナと、このアンテナから取得された電磁波を吸収するサーミスタと、サーミスタの温度を計測する温度計測部とを有する構成とし、温度計測部から計測される温度変化によって電磁波の強度を測定する構成としても良い。また、測定部を、サーミスタ薄膜と、このサーミスタ薄膜の抵抗を計測する抵抗計測部とを有する構成とし、抵抗計測部から計測される抵抗によってサーミスタの温度変化を検出し、サーミスタの温度変化によって電磁波の強度を測定する構成としても良い。   The measuring unit may be anything as long as it can measure a physical quantity corresponding to the intensity of the electromagnetic wave at the position where the measuring unit is provided. For example, the measurement unit may be configured to include an antenna and a rectification detection unit that extracts an electromagnetic wave acquired from the antenna as a low-frequency electromagnetic wave. Further, the measurement unit has an antenna, a thermistor that absorbs the electromagnetic wave acquired from the antenna, and a temperature measurement unit that measures the temperature of the thermistor, and the intensity of the electromagnetic wave due to a temperature change measured from the temperature measurement unit It is good also as a structure which measures. In addition, the measurement unit has a thermistor thin film and a resistance measurement unit that measures the resistance of the thermistor thin film, detects the temperature change of the thermistor by the resistance measured from the resistance measurement unit, It is good also as a structure which measures the intensity | strength of.

任意の周波数成分の電磁波の群速度は、電磁波の周波数と導波管の遮断周波数が等しくなるところで理論的にゼロとなる。したがって、入力電磁波の周波数と遮断周波数が等しい位置では、その周波数成分の電磁波の電界強度がピークを取る。したがって、上記の測定部は、その測定部が設けられた位置に対応する遮断周波数の電磁波の強度を測定していることになる。このように各測定部が配置位置に応じた遮断周波数の電磁波の強度を測定するため、各測定部に対応する遮断周波数の電磁波の強度を同時に測定することが可能となる。   The group velocity of the electromagnetic wave having an arbitrary frequency component is theoretically zero where the frequency of the electromagnetic wave is equal to the cutoff frequency of the waveguide. Therefore, at a position where the frequency of the input electromagnetic wave is equal to the cutoff frequency, the electric field strength of the electromagnetic wave having the frequency component takes a peak. Therefore, the measurement unit measures the intensity of the electromagnetic wave having the cutoff frequency corresponding to the position where the measurement unit is provided. Thus, since each measurement unit measures the intensity of the electromagnetic wave having the cutoff frequency corresponding to the arrangement position, it is possible to simultaneously measure the intensity of the electromagnetic wave having the cutoff frequency corresponding to each measurement unit.

また、導波管の遮断周波数によって電磁波の周波数分解を行っているため、マイクロ波からミリ波さらにはテラヘルツ波にわたる広い範囲の周波数の電磁波のスペクトルを測定することができる。   In addition, since the frequency decomposition of the electromagnetic wave is performed by the cutoff frequency of the waveguide, it is possible to measure the spectrum of the electromagnetic wave in a wide range from microwave to millimeter wave to terahertz wave.

なお、各測定部によって計測される電磁波の強度を、その測定部に対応する遮断周波数の電磁波の強度としても良いが、この計測値には他の周波数成分の電磁波の影響が含まれる。そこで、他の測定部が測定した電磁波強度に基づいて、該他の測定部に対応する遮断周波数の電磁波の影響を除去する補正を行うことが好ましい。   The intensity of the electromagnetic wave measured by each measurement unit may be the intensity of the electromagnetic wave having the cutoff frequency corresponding to the measurement unit, but this measurement value includes the influence of the electromagnetic wave of other frequency components. Therefore, it is preferable to perform correction to remove the influence of the electromagnetic wave having the cutoff frequency corresponding to the other measurement unit based on the electromagnetic wave intensity measured by the other measurement unit.

本発明によれば、広い周波数範囲のスペクトルを同時測定することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to simultaneously measure a spectrum in a wide frequency range.

以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。   Exemplary embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
図1は、本発明に係るスペクトロメータの第1の実施形態の構成図である。以下の説明では、電磁波としてマイクロ波を想定しているが、これをミリ波、テラヘルツ波に置き換えても同じ原理で動作する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram of a first embodiment of a spectrometer according to the present invention. In the following description, microwaves are assumed as electromagnetic waves. However, even if these are replaced with millimeter waves and terahertz waves, they operate on the same principle.

本実施形態におけるスペクトロメータは、大略、矩形導波管2とその内部に設けられた複数のアンテナ5とから構成される。なお、本実施形態ではアンテナ5は4つであるとして説明しているが、アンテナ5の数はいくつであっても構わない。   The spectrometer in the present embodiment is generally composed of a rectangular waveguide 2 and a plurality of antennas 5 provided therein. In the present embodiment, the number of antennas 5 is described as four, but the number of antennas 5 may be any number.

矩形導波管2は、一方の端部のみに開口部3を有する。そして、この開口部3から、z方向に進行する被測定対象である電磁波1を導入する。矩形導波管2の他方の端部は、導入された電磁波の反射を抑制するために、無反射終端8が設けられている。なお、座標軸は図に示すように、矩形導波管2の軸方向をz軸とし、断面の長軸方向をx軸、短軸方向をy軸とする。   The rectangular waveguide 2 has an opening 3 only at one end. And the electromagnetic wave 1 which is a to-be-measured object which advances to az direction is introduce | transduced from this opening part 3. The other end of the rectangular waveguide 2 is provided with a non-reflection terminal 8 in order to suppress reflection of the introduced electromagnetic wave. As shown in the figure, the coordinate axis is defined by the z-axis as the axial direction of the rectangular waveguide 2, the x-axis as the major axis direction of the cross section, and the y-axis as the minor axis direction.

図1に示すように、矩形導波管2の断面寸法は、横幅、高さともに、開口部3からの軸方向の距離zの関数になっており、開口部3からの距離にしたがって、次第に小さくなる。すなわち、矩形導波管2は、テーパ導波管となっている。   As shown in FIG. 1, the cross-sectional dimension of the rectangular waveguide 2 is a function of the axial distance z from the opening 3 in both the width and height, and gradually increases according to the distance from the opening 3. Get smaller. That is, the rectangular waveguide 2 is a tapered waveguide.

矩形導波管2の断面の寸法の横幅をa(z)、高さをb(z)とする。ここで、高さb(z)を横幅a(z)の半分以下とすることで、矩形導波管2内を通過できる電磁波の波偏波面を、電界がy方向となるように限定することができる。したがって、a(z)とb(z)は次の式(1)の関係を満たすことが好ましい。   The width of the cross-sectional dimension of the rectangular waveguide 2 is a (z), and the height is b (z). Here, by limiting the height b (z) to half or less of the lateral width a (z), the wave polarization plane of the electromagnetic wave that can pass through the rectangular waveguide 2 is limited so that the electric field is in the y direction. Can do. Therefore, it is preferable that a (z) and b (z) satisfy the relationship of the following formula (1).

Figure 2008064653
Figure 2008064653

本実施形態においては、断面寸法の横幅a(z)は直線的な関数であり、次の式(2)によって与えられる。ここで、aは入り口での横幅、aは終端での横幅、lは導波管の長さである。 In the present embodiment, the lateral width a (z) of the cross-sectional dimension is a linear function and is given by the following equation (2). Here, a 1 is the width of the entrance, a 2 is the width at the end, l is the length of the waveguide.

Figure 2008064653
Figure 2008064653

矩形導波管2の内面には、複数のアンテナ5が設けられている。図1では、矩形導波管2の上面に設けられているが、内面のどの部分に配置されていても構わない。また、複数のアンテナ5は、開口部3からの距離が異なる位置に配置されている。各アンテナ5は、電磁波をピックアップするピックアップ部6と、電磁波を伝搬する同軸導波管7とから構成される。そして、同軸導波管7から伝搬された電磁波を、ダイオードミキサー(不図示)によって整流し、整流された電磁波の電力を測定する。このようにして、矩形導波管2のアンテナ5が設けられた位置における電力Q1〜Q4を測定する。   A plurality of antennas 5 are provided on the inner surface of the rectangular waveguide 2. In FIG. 1, it is provided on the upper surface of the rectangular waveguide 2, but it may be disposed on any part of the inner surface. Further, the plurality of antennas 5 are arranged at positions where the distances from the opening 3 are different. Each antenna 5 includes a pickup unit 6 that picks up electromagnetic waves and a coaxial waveguide 7 that propagates the electromagnetic waves. Then, the electromagnetic wave propagated from the coaxial waveguide 7 is rectified by a diode mixer (not shown), and the power of the rectified electromagnetic wave is measured. In this way, the powers Q1 to Q4 at the position where the antenna 5 of the rectangular waveguide 2 is provided are measured.

以下、本実施形態に係るスペクトロメータにおいて、複数の周波数の電磁波の強度を同時に測定できる原理を説明する。   Hereinafter, the principle by which the intensities of electromagnetic waves having a plurality of frequencies can be simultaneously measured in the spectrometer according to the present embodiment will be described.

まず、矩形導波管2の電磁波に対する遮断波長λと遮断周波数fは、式(3)で与えられ、zの関数となっている。矩形導波管2は、開口部3からの距離にしたがって断面寸法が小さくなるテーパ導波管であるので、開口部3からの距離にしたがって遮断周波数fは次第に高くなる。なお、周波数の単位としてはヘルツ(Hz)が一般的に用いられるが、本明細書においては、電気工学でしばしば用いられる角周波数ω(rad/sec)を用いる。角周波数は式(3c)によって容易にヘルツに読み替えることができる。 First, the cut-off wavelength λ c and cut-off frequency f c for electromagnetic waves in the rectangular waveguide 2 are given by Expression (3) and are a function of z. Rectangular waveguide 2 are the tapered waveguide cross-sectional dimensions decreases as the distance from the opening 3, the cutoff frequency f c as the distance from the opening 3 gradually increases. As a unit of frequency, hertz (Hz) is generally used, but in this specification, an angular frequency ω (rad / sec) often used in electrical engineering is used. The angular frequency can be easily read as Hertz by equation (3c).

Figure 2008064653
Figure 2008064653

また、矩形導波管を伝搬する電磁波の波長と波数は、次の式で与えられる。   Further, the wavelength and wave number of the electromagnetic wave propagating through the rectangular waveguide are given by the following equations.

Figure 2008064653
ここで、
λ:真空中または大気中での電磁波の波長。λ=c/f
:真空中または大気中での電磁波の端数。k=2π/λ
Figure 2008064653
here,
λ 0 : Wavelength of electromagnetic wave in vacuum or air. λ 0 = c / f
k 0 : fraction of electromagnetic wave in vacuum or air. k 0 = 2π / λ 0

図2は、式(4b)を図示したものであり、一般的に分散曲線と呼ばれる。図2では、矩形導波管2内の異なる位置での分散曲線を3本示しており、断面寸法の違いから異なる遮断周波数ωc1,ωc2,ωc3をとる。電磁波は、周波数が遮断周波数より低いと導波管を伝搬することができない。 FIG. 2 illustrates equation (4b) and is generally called a dispersion curve. In FIG. 2, three dispersion curves at different positions in the rectangular waveguide 2 are shown, and different cutoff frequencies ω c1 , ω c2 , and ω c3 are taken from the difference in cross-sectional dimensions. If the frequency is lower than the cut-off frequency, the electromagnetic wave cannot propagate through the waveguide.

次に、電磁波のエネルギーが矩形導波管2の中を伝搬する速度、すなわち群速度は式(4b)を微分することによって式(5)のように与えられる。   Next, the speed at which the electromagnetic wave energy propagates through the rectangular waveguide 2, that is, the group speed, is given by Expression (5) by differentiating Expression (4b).

Figure 2008064653
Figure 2008064653

式(5)によると、導波管を伝搬する電磁波の群速度、すなわちエネルギーの伝搬速度は光速よりも小さく、特に遮断周波数と入力された電磁波の周波数が等しいときに群速度がゼロとなる。   According to the equation (5), the group velocity of the electromagnetic wave propagating through the waveguide, that is, the propagation velocity of energy is smaller than the speed of light, and the group velocity becomes zero particularly when the cutoff frequency is equal to the frequency of the input electromagnetic wave.

導波管を伝搬している電磁波の、ある周波数成分の単位時間あたりのエネルギー通過量、すなわち電力をPωとおく。導波管のロスを無視すると、エネルギー保存の法則から、定常状態では、Pωは導波管内の位置によらず一定となる。 Of the electromagnetic wave is propagated in the waveguide, the energy throughput per unit time of a certain frequency component, i.e. put power and P omega. If the loss of the waveguide is ignored, P ω is constant in the steady state regardless of the position in the waveguide from the law of energy conservation.

また、群速度の定義から、単位長さあたりの電磁波のエネルギー量Wω(z)は式(6a)のように与えられる。また、電界強度は式(6b)のように与えられ、エネルギー密度の平方根に比例する。図3は、式(6a)(6b)をzの関数として示したものである。 Further, from the definition of the group velocity, the energy amount W ω (z) of the electromagnetic wave per unit length is given by the equation (6a). The electric field strength is given by the equation (6b) and is proportional to the square root of the energy density. FIG. 3 shows equations (6a) and (6b) as a function of z.

Figure 2008064653
ここで、Cはエネルギー密度と電界強度の比例定数であり、導波管の形状から決定される。
Figure 2008064653
Here, C is a proportional constant between the energy density and the electric field strength, and is determined from the shape of the waveguide.

本実施形態に係るスペクトロメータの矩形導波管2は、テーパ形状をしており、断面寸法a(z)が矩形導波管2の開口部3からの位置zに対して単調に減少(狭義の単調減少)するので遮断周波数が式(3b)にしたがって高くなる。入力電磁波が矩形導波管2内を進入し、遮断周波数と入力電磁波の周波数とが等しくなると、遮断のため電磁波は前進できず、反射されて矩形導波管2の開口部3へと帰って行く。このため、矩形導波管2内には、定在波が発生する。なお、便宜のため、遮断周波数が入力電磁波の周波数に等しくなる位置を反射点と呼ぶ。   The rectangular waveguide 2 of the spectrometer according to the present embodiment has a tapered shape, and the cross-sectional dimension a (z) decreases monotonously with respect to the position z from the opening 3 of the rectangular waveguide 2 (narrow sense). Therefore, the cut-off frequency is increased according to the equation (3b). When the input electromagnetic wave enters the rectangular waveguide 2 and the cutoff frequency becomes equal to the frequency of the input electromagnetic wave, the electromagnetic wave cannot move forward due to the cutoff, and is reflected and returned to the opening 3 of the rectangular waveguide 2. go. For this reason, a standing wave is generated in the rectangular waveguide 2. For convenience, the position where the cutoff frequency is equal to the frequency of the input electromagnetic wave is called a reflection point.

電磁波の群速度は、式(5)にしたがい反射点でゼロとなる。したがって、そのエネルギー密度は式(6a)にしたがって無限大となる。ただし、これは一次元の解析解であって、実際には、近傍波が存在し、電界は反射点の周りに広がりを持ち、エネルギー密度は無限大とならずに、図3に示すように電界分布はピークを取るが有限な値となる。   The group velocity of electromagnetic waves becomes zero at the reflection point according to the equation (5). Therefore, the energy density becomes infinite according to the equation (6a). However, this is a one-dimensional analytical solution. Actually, there is a nearby wave, the electric field spreads around the reflection point, and the energy density is not infinite, as shown in FIG. The electric field distribution has a peak but a finite value.

いま、図4に示すように周波数がω,ω,ω,ωの4つの電磁波を同時に入力すると、それぞれの反射点z,z,z,zで電界がピークを取る。このピーク位置に図1のアンテナ5a,5b,5c,5dを配置しておくと、同軸導波管7からそれぞれの周波数に対応する電力が検出される。 As shown in FIG. 4, when four electromagnetic waves having frequencies ω 1 , ω 2 , ω 3 , and ω 4 are simultaneously input, the electric field peaks at the respective reflection points z 1 , z 2 , z 3 , and z 4. take. If the antennas 5a, 5b, 5c, and 5d shown in FIG. 1 are arranged at the peak positions, power corresponding to the respective frequencies is detected from the coaxial waveguide 7.

入力周波数を掃引したときの、各アンテナ5において測定される電力の変化を図5に示す。これは、いわゆるフィルタ特性に相当し、周波数がω,ω,ω,ωの点でピークを取り、帯域通過特性を示すことが理解される。 FIG. 5 shows a change in power measured at each antenna 5 when the input frequency is swept. This corresponds to a so-called filter characteristic, and it is understood that the frequency peaks at the points of ω 1 , ω 2 , ω 3 , and ω 4 and shows a band pass characteristic.

ここで、各アンテナ5が検出した検出電力Pω1,Pω2,Pω3,Pω4を、遮断周波数ω,ω,ω,ωの電磁波の電力とすることができる。しかしながら、上記の遮断特性は完全ではなく、各アンテナ5において検出される信号は、単一周波数の信号とはならずに、他の周波数の成分も混在する。例えば、zの位置のアンテナにはωの周波数成分だけでなく、ω,ω,ωの周波数成分の信号も混ざって出力される。そこで、各アンテナの配置された位置に対応する遮断周波数成分以外の電磁波による影響を除去する補正を行うことが好ましい。この補正は次のようにして行える。 Here, the detected powers P ω1 , P ω2 , P ω3 , and P ω4 detected by each antenna 5 can be used as the power of the electromagnetic waves having the cutoff frequencies ω 1 , ω 2 , ω 3 , and ω 4 . However, the above cut-off characteristics are not perfect, and the signal detected by each antenna 5 does not become a single frequency signal but also includes other frequency components. For example, not only the frequency component of ω 3 but also the signals of the frequency components of ω 1 , ω 2 , and ω 4 are mixed and output to the antenna at the position of z 3 . Therefore, it is preferable to perform correction to remove the influence of electromagnetic waves other than the cutoff frequency component corresponding to the position where each antenna is arranged. This correction can be performed as follows.

まず、入力電磁波の周波数ω,ω,ω,ωに対する各アンテナの結合係数をCijと記述すると、各アンテナから検出される全電力Q,Q,Q,Qは式(7)のように、マトリックスで表現される。 First, when the coupling coefficient of each antenna with respect to the frequencies ω 1 , ω 2 , ω 3 , and ω 4 of the input electromagnetic wave is described as C ij , the total powers Q 1 , Q 2 , Q 3 , and Q 4 detected from each antenna are It is expressed by a matrix as shown in Expression (7).

Figure 2008064653
Figure 2008064653

ここで、式(7)における結合係数Cijは、矩形導波管2に基準信号発生器によって所定の強度の単一周波数の電磁波を入力して、各アンテナから出力される電力を検出することによって決定することができる。これを補正データとして計算機に保存しておき、式(7)の逆行列を計算することによって、電磁波の電力スペクトルが式(8)のように得られる。 Here, the coupling coefficient C ij in the equation (7) is obtained by detecting the electric power output from each antenna by inputting a single frequency electromagnetic wave having a predetermined intensity to the rectangular waveguide 2 by the reference signal generator. Can be determined by. By storing this as correction data in a computer and calculating the inverse matrix of equation (7), the power spectrum of the electromagnetic wave is obtained as in equation (8).

Figure 2008064653
Figure 2008064653

なお、近年、電磁波の伝搬を数値計算するソフトウェア技術が発達しており、数値シミュレーションにより係数行列を決定しても良い。また、数値計算によって導波管の開口部から見たインピーダンスを整合させるように、テーパの形状、すなわち関数a(z),b(z)を選択したり、適宜スタブを使用することも可能である。   In recent years, software technology for numerically calculating propagation of electromagnetic waves has been developed, and the coefficient matrix may be determined by numerical simulation. It is also possible to select the shape of the taper, that is, the functions a (z) and b (z) so as to match the impedance viewed from the opening of the waveguide by numerical calculation, or to use a stub as appropriate. is there.

本実施形態に係るスペクトロメータによれば、マイクロ波からミリ波さらにはテラヘルツ波にわたる広い周波数範囲にわたる電磁波のスペクトルを、複数のアンテナ5によって同時に計測することができる。ここで、アンテナ5の配置数を増やすことによって、周波数分解能を向上させることができる。   With the spectrometer according to the present embodiment, the spectrum of electromagnetic waves over a wide frequency range from microwaves to millimeter waves and further to terahertz waves can be simultaneously measured by the plurality of antennas 5. Here, the frequency resolution can be improved by increasing the number of antennas 5 arranged.

また、従来技術のような局部発振器の周波数を掃引するような構成ではないため、スペクトル計測を効率的に行うことが可能であり、特にパルス性の電磁波のスペクトル計測を効率的に行える。   Further, since it is not configured to sweep the frequency of the local oscillator as in the prior art, spectrum measurement can be performed efficiently, and in particular, spectrum measurement of pulsed electromagnetic waves can be performed efficiently.

また、回折格子を用いたスペクトル測定のように測定のための細かい調整をする必要がないため、本実施形態に係るスペクトロメータによれば簡易にスペクトル計測を行うことができる。   Further, since it is not necessary to make fine adjustments for measurement unlike spectrum measurement using a diffraction grating, the spectrometer according to this embodiment can easily perform spectrum measurement.

(第2の実施形態)
図6は、本発明の第2の実施形態に係るスペクトロメータの構成を示す図である。
(Second Embodiment)
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a spectrometer according to the second embodiment of the present invention.

本実施形態では、図6に示すように、第1の実施形態におけるテーパ形状の導波管の代わりに、断面寸法が段階的に変化するステップ状の導波管を採用している。   In the present embodiment, as shown in FIG. 6, a step-shaped waveguide whose cross-sectional dimensions change stepwise is employed instead of the tapered waveguide in the first embodiment.

アンテナ5は、各ステップに1つずつ配置し、その配置場所は各ステップ内でできるだけ開口部3から離れた場所としている。第n番目のアンテナが設けられた位置における導波管の寸法を、横幅a、高さbとすると、第n番目のアンテナから出力される信号の周波数帯域幅は、式(9)のように与えられる。なお、電磁波モードの安定性のために、導波管の横幅aと高さのbの比率は、b=a/2程度とすることが好ましい。 One antenna 5 is arranged at each step, and the arrangement location is set as far as possible from the opening 3 in each step. The dimensions of the waveguide at the position where the n-th antenna provided, the width a n, when the height b n, the frequency bandwidth of the signal outputted from the n-th antenna, formula (9) As given. Incidentally, for the stability of the electromagnetic wave mode, the ratio of b n breadth a n and height of the waveguide, it is preferable to b n = a n / 2 approximately.

Figure 2008064653
Figure 2008064653

式(9)によって、アンテナから取り出す信号の周波数範囲をステップ導波管の幅aの選定によって設定できることが分かる。 By equation (9), it can be seen that the frequency range of the signal taken out from the antenna can be set by selection of the width a n steps waveguide.

なお、各アンテナの遮断特性は完全ではないため、第1の実施形態と同様に式(8)を用いて、各アンテナからの出力電力Q,Q,Q,Qから式(9)で与えられる各周波数帯域内の電力Pω1,Pω2,Pω3,Pω4を算出することができる。 Since the cutoff characteristics of the antennas are not perfect, the equation (9) is used to calculate the output powers Q 1 , Q 2 , Q 3 , and Q 4 from the antennas using the equation (8) as in the first embodiment. The power P ω1 , P ω2 , P ω3 , and P ω4 in each frequency band given by) can be calculated.

(第3の実施形態)
図7は、本発明の第3の実施形態に係るスペクトロメータの構成を示す図である。
(Third embodiment)
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a spectrometer according to the third embodiment of the present invention.

本実施形態では、図7に示すように、第1及び第2の実施形態において、電磁波を検出する電磁波測定部として、アンテナと同軸導波管を用いる代わりに、矩形導波管35を用いても良い。各矩形導波管35の位置と寸法は、電磁波の数値計算シミュレーションによって最適化することが望ましい。   In this embodiment, as shown in FIG. 7, in the first and second embodiments, a rectangular waveguide 35 is used as an electromagnetic wave measuring unit for detecting electromagnetic waves instead of using an antenna and a coaxial waveguide. Also good. It is desirable that the position and size of each rectangular waveguide 35 be optimized by numerical simulation of electromagnetic waves.

(第4の実施形態)
図8は、本発明の第4の実施形態に係るスペクトロメータの構成を示す図である。
(Fourth embodiment)
FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a spectrometer according to the fourth embodiment of the present invention.

本実施形態では、第1及び第2の実施形態において使用されている電磁波検出用のアンテナの代わりに、矩形導波管2の内面に設けたサーミスタ薄膜を用いている。   In this embodiment, a thermistor thin film provided on the inner surface of the rectangular waveguide 2 is used instead of the electromagnetic wave detection antenna used in the first and second embodiments.

図8に示すように、矩形導波管2の内面の両側面もしくは1つの側面にサーミスタ薄膜9を設ける。矩形導波管2とサーミスタ薄膜9の間には、電気的および熱的に絶縁するような絶縁体層を設けておく。   As shown in FIG. 8, the thermistor thin film 9 is provided on both side surfaces or one side surface of the inner surface of the rectangular waveguide 2. An insulator layer is provided between the rectangular waveguide 2 and the thermistor thin film 9 so as to be electrically and thermally insulated.

矩形導波管2の開口部3から導入された電磁波は、導波管の遮断周波数と入力電磁波の周波数が等しくなる位置で、前述した図3に示すように、電界強度が大きくなり、これに比例して矩形導波管2の内面を流れる壁電流密度の高くなる。   The electromagnetic wave introduced from the opening 3 of the rectangular waveguide 2 has a higher electric field strength at the position where the cutoff frequency of the waveguide and the frequency of the input electromagnetic wave are equal, as shown in FIG. The wall current density flowing through the inner surface of the rectangular waveguide 2 is proportionally increased.

壁電流のうちサーミスタ表面を流れる電流がサーミスタ薄膜9の電気抵抗によって発熱し、サーミスタ薄膜9の温度が上昇する。   Of the wall current, the current flowing on the thermistor surface generates heat due to the electrical resistance of the thermistor thin film 9, and the temperature of the thermistor thin film 9 rises.

サーミスタ薄膜9からの引き出し線10を通してサーミスタ薄膜9の抵抗を測定し、サーミスタ薄膜9の温度係数からその温度を測定できる。そして、サーミスタ薄膜9の温度上昇から、電磁波の壁電流密度を測定することができる。   The resistance of the thermistor thin film 9 can be measured through the lead wire 10 from the thermistor thin film 9, and the temperature can be measured from the temperature coefficient of the thermistor thin film 9. The wall current density of the electromagnetic wave can be measured from the temperature rise of the thermistor thin film 9.

このように、複数のサーミスタ薄膜9の温度上昇から、前述の式(8)を用いて電磁波のスペクトルを決定することができる。   Thus, from the temperature rise of the plurality of thermistor thin films 9, the spectrum of the electromagnetic wave can be determined using the above-described equation (8).

(その他)
矩形導波管内の電磁波を測定する方法は、上記で説明した以外のどのような方法によって実現されても構わない。アンテナから出力される電力Qを測定する方法としては、例えば、クリスタル検波器、ヘテロダイン受信機、サーミスタなどが挙げられるが、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
(Other)
The method for measuring the electromagnetic wave in the rectangular waveguide may be realized by any method other than those described above. Examples of a method for measuring the power Q output from the antenna include a crystal detector, a heterodyne receiver, and a thermistor. Of course, various changes can be made without departing from the scope of the present invention.

また、導波管の断面形状は矩形(長方形)として説明したが、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。   Moreover, although the cross-sectional shape of the waveguide has been described as a rectangle (rectangle), it is needless to say that various changes can be made without departing from the scope of the present invention.

第1の実施形態に係るスペクトロメータの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the spectrometer which concerns on 1st Embodiment. テーパ導波管の分散特性を示す図である。It is a figure which shows the dispersion characteristic of a taper waveguide. テーパ導波管内の遮断波長、遮断周波数、群速度、定在波電界、平均電界強度の軸方向の分布を示す図である。It is a figure which shows the distribution of the axial direction of the cutoff wavelength in a taper waveguide, cutoff frequency, group velocity, standing wave electric field, and average electric field strength. 異なる4つの周波数に対する電界強度の軸方向の分布を示す図である。It is a figure which shows distribution of the axial direction of the electric field strength with respect to four different frequencies. 入力周波数を掃引したときの、各アンテナにおいて測定される電力の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the electric power measured in each antenna when sweeping an input frequency. 第2の実施形態(ステップ導波管)に係るスペクトロメータの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the spectrometer which concerns on 2nd Embodiment (step waveguide). 第3の実施形態(矩形導波管アンテナ)に係るスペクトロメータの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the spectrometer which concerns on 3rd Embodiment (rectangular waveguide antenna). 第4の実施形態(サーミスタ使用)に係るスペクトロメータの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the spectrometer which concerns on 4th Embodiment (thermistor use).

符号の説明Explanation of symbols

1 入力電磁波
2 矩形導波管
3 開口部
4 導波管上面
5a,5b,5c,5d アンテナ
6 ピックアップ部
7 同軸導波管
8 無反射終端部
9 サーミスタ薄膜
10 サーミスタ引き出し線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Input electromagnetic wave 2 Rectangular waveguide 3 Opening part 4 Waveguide upper surface 5a, 5b, 5c, 5d Antenna 6 Pickup part 7 Coaxial waveguide 8 Non-reflection termination part 9 Thermistor thin film 10 Thermistor lead wire

Claims (6)

開口端面からの距離にしたがって遮断周波数が次第に高くなる導波管と、
前記導波管の内面に該導波管の軸方向に複数設けられた、電磁波の強度を測定する測定部と、
を有し、
前記複数の測定部によって、各測定部が設けられた位置に対応する遮断周波数の電磁波の強度を測定することを特徴とするスペクトロメータ。
A waveguide whose cutoff frequency gradually increases according to the distance from the opening end face;
A plurality of measuring units for measuring the intensity of electromagnetic waves provided on the inner surface of the waveguide in the axial direction of the waveguide;
Have
A spectrometer that measures the intensity of an electromagnetic wave having a cutoff frequency corresponding to a position where each measurement unit is provided by the plurality of measurement units.
前記導波管は、開口端面からの距離に応じて連続的に断面寸法が減少することを特徴とする請求項1に記載のスペクトロメータ。   The spectrometer according to claim 1, wherein the waveguide has a cross-sectional dimension that continuously decreases in accordance with a distance from the opening end face. 前記測定部は、他の測定部が測定した電磁波の強度に基づいて、該他の測定部が設けられた位置に対応する遮断周波数の電磁波の影響を除去する補正を行うことを特徴とする請求項1または2に記載のスペクトロメータ。   The measurement unit performs correction to remove an influence of an electromagnetic wave having a cutoff frequency corresponding to a position where the other measurement unit is provided based on the intensity of the electromagnetic wave measured by the other measurement unit. Item 3. The spectrometer according to Item 1 or 2. 前記測定部は、
アンテナと、
前記アンテナから取得された電磁波を低周波に変換する周波数変換部と、
から構成されることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のスペクトロメータ。
The measuring unit is
An antenna,
A frequency converter that converts the electromagnetic wave acquired from the antenna into a low frequency;
The spectrometer according to claim 1, comprising:
前記測定部は、
アンテナと、
前記アンテナから取得された電磁波を吸収するサーミスタと、
前記サーミスタの温度を計測する温度計測部と、
から構成され、
前記温度計測部から計測される温度変化によって電磁波の強度を測定することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のスペクトロメータ。
The measuring unit is
An antenna,
A thermistor that absorbs electromagnetic waves acquired from the antenna;
A temperature measurement unit for measuring the temperature of the thermistor;
Consisting of
The spectrometer according to claim 1, wherein the intensity of the electromagnetic wave is measured by a temperature change measured from the temperature measurement unit.
前記測定部は、
サーミスタ薄膜と、
前記サーミスタ薄膜の抵抗を計測する抵抗計測部と、
から構成され、
前記抵抗計測部から計測される抵抗によってサーミスタの温度変化を検出し、サーミスタの温度変化によって電磁波の強度を測定することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のスペクトロメータ。
The measuring unit is
The thermistor thin film,
A resistance measurement unit for measuring the resistance of the thermistor thin film;
Consisting of
The spectrometer according to claim 1, wherein a temperature change of the thermistor is detected by a resistance measured from the resistance measurement unit, and an intensity of the electromagnetic wave is measured by a temperature change of the thermistor.
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