RU157405U1 - Устройство для измерения показателя преломления диэлектриков - Google Patents
Устройство для измерения показателя преломления диэлектриков Download PDFInfo
- Publication number
- RU157405U1 RU157405U1 RU2015123196/28U RU2015123196U RU157405U1 RU 157405 U1 RU157405 U1 RU 157405U1 RU 2015123196/28 U RU2015123196/28 U RU 2015123196/28U RU 2015123196 U RU2015123196 U RU 2015123196U RU 157405 U1 RU157405 U1 RU 157405U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- refractive index
- cuboid
- dielectric
- metamaterial
- transmitting
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Устройство для измерения показателя преломления диэлектриков, содержащее СВЧ-генератор и регистратор, соединенные соответственно с передающей и приемной антеннами для размещения между ними образца исследуемого диэлектрика, при этом приемная антенна установлена с возможностью осевого и поперечного перемещений, отличающееся тем, что исследуемый образец представляет собой кубоид, выполненный из метаматериала с эффективным относительным показателем преломления по отношению к показателю преломления окружающей среды, изменяющегося в диапазоне от 1.2 до 1.6, а длина а стороны кубоида определяется из соотношенияс заполнением исследуемым диэлектриком пространства между элементами метаматериала, приемная антенна размещается от кубоида на расстоянии от 0 до 2а, а передающая антенна размещена на расстоянии от кубоида R>D/λ, где D - характерный размер апертуры передающей антенны, λ - рабочая длина волны.
Description
Полезная модель относится к технике измерений на сверхвысоких частотах и может быть использовано для исследования физических свойств веществ, например для измерения показателя преломления диэлектриков в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах.
Известны устройства измерения показателя преломления диэлектриков в субмиллиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн в квазиоптических линзовых лучеводах [Измерения на миллиметровых и субмиллиметровых волнах: Методы и техника / Под ред. Р.А. Валитова и Б.И. Макаренко. - М.: Радио и связь, 1984, 296 с, с. 261-267, 252-260], состоящие из источника электромагнитного излучения, диэлектрических линз, приемника электромагнитного излучения и образца, помещенного в пространство между линзами. Источник электромагнитного излучения формирует электромагнитную волну, которая освещает диэлектрическую изотропную линзу, формирующей волну с волновым фронтом заданной формы и падающей на измерительную кювету с образцом, при этом прошедшее и отраженное излучения от образца фокусируются диэлектрической линзой на приемники электромагнитного излучения и по измеряемым модулям коэффициентов пропускания и отражения и известной толщине образца, определяют показатель преломления вещества.
Недостатками устройства являются большие габариты устройства и большое количество исследуемого вещества.
Известно устройство для измерения показателя преломления диэлектриков [Казанский В.В. и др. Теоретические и экспериментальные исследования свойств искусственных металлодиэлектриков. - ЖТФ, т. 40, 1970, №3, с. 631-641], содержащее СВЧ генератор и регистратор, соединенные соответственно с передающей и приемной антенной для размещения между ними образца диэлектрика, при этом приемная и передающая антенны установлены с возможностью осевого перемещения.
Однако известное устройство позволяет определять показатель преломления лишь по результатам измерения фазовых характеристик отраженной и прошедшей волны и имеет большие габариты.
Общим для всех способов измерения показателя преломления диэлектриков в СВЧ диапазоне, заключается в том, что тем или иным способом определяется изменение фазовой постоянной распространения при введении в систему испытуемого диэлектрика и устанавливается связь этого изменения с величиной диэлектрической проницаемости вещества [В.В. Шестопалов, К.П. Яцук. Методы измерения диэлектрических проницаемостей вещества на сверхвысоких частотах // Успехи физических наук, 1961, т. LXXIV, вып. 4, с. 721-755].
Наиболее близким техническим решением к полезной модели является устройство для измерения показателя преломления [прототип, А.С. №1107070, МПК 27/26], содержащее СВЧ генератор и регистратор, соединенные соответственно с передающей и приемной антеннами для размещения между ними образца исследуемого диэлектрика, при этом приемная и передающая антенны установлены с возможностью осевого перемещения, а образец исследуемого диэлектрика выполнен в форме двояковыпуклой фокусирующей линзы, размещенной от приемной антенны на настоянии r, определяемом из условия r<D2/λ,, где D - диаметр образца исследуемого диэлектрика, λ длина рабочей волны.
Однако известное устройство имеет большие габариты, значительно превышающие рабочую длину волны излучения и необходим большой объем исследуемого вещества.
Задачей полезной модели является разработка устройства измерения показателя преломления диэлектрика в СВЧ диапазоне.
Техническим результатом является измерение показателя преломления диэлектриков, при уменьшение габаритов устройства и объема исследуемого вещества.
Для достижения поставленной задачи в устройстве для измерения показателя преломления диэлектриков, содержащее СВЧ генератор и регистратор, соединенные соответственно с передающей и приемной антеннами для размещения между ними образца исследуемого диэлектрика, приемная антенна установлена с возможностью осевого и поперечного перемещения, при этом исследуемый образец представляет собой кубоид выполненный из метаматериала с эффективным относительным показателем преломления, по отношению к показателю преломления окружающей среды, изменяющегося в диапазоне от 1.2 до 1.6, а a - длина стороны кубоида определяется из соотношения:
a≈λN, N=1, 2, 3…
с заполнением исследуемым диэлектриком пространство между элементами метаматериала, приемная антенна размещается от кубоида на расстоянии лежащем в диапазоне от 0 до 2a и установлена с возможностью осевого и поперечного перемещения, а передающая антенна размещена на расстоянии от кубоида R>D2/λ, где D - характерный размер апертуры передающей антенны, λ - рабочая длина волны.
На фиг. 1 приведены структурная электрическая схема устройства для измерения показателя преломления диэлектриков и изображение кубоида выполненного из метаматериала с исследуемым диэлектриком.
На фиг. 2 приведен пример формирования фотонной струи от метакубической частицы.
На фиг. 3 показаны зависимости поперечного разрешения (размера струи) dX, dY, длины струи dZ (все в единицах длины волны излучения) и значения максимальной интенсивности поля в струе I от значения показателя преломления вещества в отверстиях перфорированного диэлектрика.
На фиг. 4 показана зависимость значения показателя преломления исходного диэлектрика от параметра перфорации а при фиксированном значении эффективного показателя преломления перфорированного диэлектрика.
Устройство для измерения показателя преломления диэлектриков содержит СВЧ генератор 1, и регистратор 2, соединенные соответственно с передающей и приемной антеннами 3 и 4 для размещения между ними метакубоида 5, с эффективным относительным показателем преломления, по отношению к показателю преломления окружающей среды, изменяющегося в диапазоне от 1.2 до 1.6, а a - длина стороны кубоида определяется из соотношения:
a≈λN, N=1, 2, 3…
с заполненным исследуемым диэлектриком 6, который размещен от приемной антенны 4 на расстоянии, лежащем в диапазоне от 0 до 2a, при этом приемная антенна 4 установлена с возможностью осевого и поперечного перемещения, а передающая антенна 3 размещена на расстоянии от кубоида R>D2/λ, где D - характерный размер апертуры передающей антенны, λ - рабочая длина волны, для обеспечения условия освещения измеряемого образца электромагнитной волной с плоским волновым фронтом и создания условий формирования фотонной струи.
При этом метаматериал выполнен, например, в виде перфорированного диэлектрика.
Устройство для измерения показателя преломления диэлектриков работает следующим образом.
При включении СВЧ генератора 1 СВЧ энергия излучается передающей антенной в направлении метакубоида 5 с исследуемым диэлектриком 6 и облучает его волной с плоским волновым фронтом. При прохождении плоской электромагнитной волны через метакубоид 5 с эффективным относительным показателем преломления, по отношению к показателю преломления окружающей среды, изменяющегося в диапазоне от 1.2 до 1.6, а a - длина стороны кубоида определяется из соотношения a≈λN, N=1, 2, 3… с исследуемым диэлектриком 6, в пространстве между внешней стороны кубоида и приемной антенной 4 формируется фотонная струя, при этом приемная антенна 4 подключена ко входу на регистратор 2. Фотонная струя - это область фокусировки излучения с субволновыми размерами вблизи диэлектрической частицы. Фотонная струя возникает в области теневой поверхности диэлектрических микросферических частиц - в т.н. ближней зоне дифракции - и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью оптического поля в области фокусировки. При перемещении приемной антенны 4 вдоль и поперек фотонной струи, регистрируется характеристики пространственного распределения электромагнитного поля в области фотонной струи.
В результате экспериментальных исследований и результатов математического моделирования было обнаружено, что выполнение линзы в форме кубоида из метаматериала с эффективным относительным показателем преломления, по отношению к показателю преломления окружающей среды, более 1.6 происходит формирование «фотонной струи» внутри тела линзы. При эффективном относительном показателе преломления менее 1.2 область формирования «фотонной струи» удаляется от плоской выходной апертуры кубоида и происходит ее дефокусировка.
Минимальный размер метакубоида порядка длины волны используемого излучения, поэтому размер апертуры плоской линзы равен примерно длине волны падающего волнового фронта. Было обнаружено, что структура сохраняет свои фокусирующие свойства на гармониках излучения.
Было обнаружено, что пространственные параметры электромагнитного поля фотонной струи зависят от показателя преломления исследуемого вещества 6 заполняющего метакубоид 5, фиг. 3. Данные о протяженности фотонной струи и о ее поперечном размере, которые могут быть получены при использовании предполагаемого устройства, обеспечивают определение величины показателя преломления исследуемого вещества. При этом могут быть использованы как твердые, так и жидкие диэлектрики.
В качестве искусственного диэлектрика с заданным эффективным коэффициентом преломления, могут использоваться различные метаматериалы, методы расчета и изготовления которых хорошо известны из технической литературы. Например, диэлектрик с отверстиями или система диэлектрических стержней, как в двухмерном так и в трехмерном вариантах [Minin О.V., Minin I.V. Diffractive optics of millimeter waves, IOP Publisher, Boston-London, 2004 (396p); Meriakri V.V., Nikitin I.P. Man-made dielectric with dispersion in the millimeter wavelength band // Quasioptical devices in millimeter and sub-millimeter wavelength ranges. In: Proceedings of IRE, Har'kov, 65-70 (1989); Petosa, A., A. Ittipiboon, and S. Thirakoune, “Perforated dielectric resonator antennas,” Electronics Letters, Vol. 38, No. 24, 1493-1495 (2002); Zhang, Y. and A.A. Kishk, “Aalysis of dielectric resonator antenna arrays with supporting perforated rods,” 2nd European Conf. on Antennas and Propag., EuCAP 2007, 1-5 (2007); N. Fabre, S. Fasquel, C. Legrand, X. Melique, M. Muller, M. Francois,0. Vanbeien, and D. Lippens. Towards focusing using photonic crystal flat lens // Opto-Electron. Rev., 14, no. 3, pp. 225-232 (2006)].
Для треугольной ячейки перфорации диэлектрика эффективное значение диэлектрической проницаемости и тангенса потерь вычисляются по формулам:
εeff≈εr(1-α)+α;
tanδef=tanδ(1-α)
Здесь εeff - эффективная диэлектрическая проницаемость метаматериал, εr - диэлектрическая проницаемость исследуемого материала, заполненного в отверстия метаматериала и соответственно тангенсы потерь для метаматериала и исследуемого материала - tanδef, tanδ. Отверстия в материале располагались в шахматном порядке. Коэффициент α определяет отношение диаметра отверстия перфорации d к размеру треугольной ячейки s, фиг. 4:
В экспериментах использовались следующие параметры перфорации диэлектрического кубика: α≈0,4342, s≈0,1445λ,, d≈0,1λ,, показатель диэлектрической проницаемости материала в котором были выполнены отверстия равен 3.
В результате исследований было обнаружено, что при изменении коэффициента преломления исследуемого материала от 1 до 1.6, поперечное разрешение фотонной струи менялось от 0.55λ до 0.4λ, а длина струи от 1.6λ, до λ. При этом максимальная интенсивность в фотонной струе меняется в 1.7 раз. Что дает возможность однозначного определения коэффициента преломления материала, заполняющего отверстия в метаматериале по пространственным характеристика фотонной струи.
Выполнение образца в виде метакубоида с заполненным исследуемым диэлектриком и с величиной стороны стенки порядка длины волны используемого излучения, дает возможность уменьшить по сравнению с известным устройством, необходимый объем исследуемого вещества и габариты устройства.
Claims (1)
- Устройство для измерения показателя преломления диэлектриков, содержащее СВЧ-генератор и регистратор, соединенные соответственно с передающей и приемной антеннами для размещения между ними образца исследуемого диэлектрика, при этом приемная антенна установлена с возможностью осевого и поперечного перемещений, отличающееся тем, что исследуемый образец представляет собой кубоид, выполненный из метаматериала с эффективным относительным показателем преломления по отношению к показателю преломления окружающей среды, изменяющегося в диапазоне от 1.2 до 1.6, а длина а стороны кубоида определяется из соотношения
с заполнением исследуемым диэлектриком пространства между элементами метаматериала, приемная антенна размещается от кубоида на расстоянии от 0 до 2а, а передающая антенна размещена на расстоянии от кубоида R>D2/λ, где D - характерный размер апертуры передающей антенны, λ - рабочая длина волны.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015123196/28U RU157405U1 (ru) | 2015-06-16 | 2015-06-16 | Устройство для измерения показателя преломления диэлектриков |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015123196/28U RU157405U1 (ru) | 2015-06-16 | 2015-06-16 | Устройство для измерения показателя преломления диэлектриков |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU157405U1 true RU157405U1 (ru) | 2015-12-10 |
Family
ID=54845851
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015123196/28U RU157405U1 (ru) | 2015-06-16 | 2015-06-16 | Устройство для измерения показателя преломления диэлектриков |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU157405U1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2618600C1 (ru) * | 2016-02-09 | 2017-05-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Акустическая линза |
-
2015
- 2015-06-16 RU RU2015123196/28U patent/RU157405U1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2618600C1 (ru) * | 2016-02-09 | 2017-05-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Акустическая линза |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Vodo et al. | Focusing by planoconcave lens using negative refraction | |
| CN106848581B (zh) | 用于近场聚焦的内向零阶Hankel漏波天线 | |
| Pavone et al. | Analysis and design of Bessel beam launchers: Transverse polarization | |
| Pohl | A dielectric lens antenna with enhanced aperture efficiency for industrial radar applications | |
| RU157405U1 (ru) | Устройство для измерения показателя преломления диэлектриков | |
| Alkurt et al. | Design of a dual band metamaterial absorber for Wi-Fi bands | |
| RU164738U1 (ru) | Устройство для фокусировки излучения метакубоидной плоской линзой | |
| Fang et al. | Transparent structure consisting of metamaterial layers and matching layers | |
| Jallod et al. | Simulation of small radio telescope antenna parameters at frequency of 1.42 GHz | |
| Tütüncü et al. | Directivity improvement of microstrip antenna by inverse refraction metamaterial | |
| Li et al. | Ultra-wideband, true-time-delay, metamaterial-based microwave lenses | |
| Nguyen et al. | A traveling-wave stripline dipole antenna on a substrate lens at terahertz frequency | |
| Neighbours et al. | Čerenkov radiation from a finite-length path in a gas | |
| Bait Suwailam et al. | Surface waves on a grounded double‐negative (DNG) slab waveguide | |
| RU138600U1 (ru) | Устройство для измерения электромагнитного отклика от плоскопараллельных пластин в свч диапазоне | |
| Cui et al. | Topological flexible metamaterials with isotropic dual-frequency terahertz-band absorption | |
| De Miguel et al. | A metamaterial with applications in broad band antennas used in radio astronomy and satellite communications | |
| Boriskin et al. | Small hemielliptic dielectric lens antenna analysis boundary integral equations vs. GO and PO | |
| Chahal et al. | Planar surface plasmonic structures for terahertz circuits and sensors | |
| Panigrahi et al. | A waveguide transmitarray antenna for near-field millimeter-wave sensing applications | |
| Minin et al. | Millimeter wave binary photon sieve Fresnel zone plate: FDTD analysis | |
| RU2526741C1 (ru) | Радиолокационная антенна с уменьшенной эффективной площадью рассеяния | |
| Duan et al. | Metamaterials design and challenges for THz radiation | |
| RU2758681C1 (ru) | Устройство для измерения электромагнитного отклика от плоскопараллельных пластин в свч диапазоне | |
| Han et al. | Further wideband RCS reduction on metasurface by introducing a phasor interference element |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20200617 |