RU2504801C1

RU2504801C1 - Apparatus for imaging microwave electric fields in space

Info

Publication number: RU2504801C1
Application number: RU2012124464/28A
Authority: RU
Inventors: Михаил Рюрикович Трунин; Игорь Анатольевич Карпов; Геннадий Васильевич Мерзляков; Эгиль Дмитриевич Шу
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2014-01-20
Also published as: RU2012124464A

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: apparatus for imaging microwave fields employs an "open" type measuring chamber consisting of two horizontally arranged parallel copper discs, a probe antenna moved by two stepper motors controlled by a computer program, both on an arc of a circle and on the radius thereof, a reference channel connected in parallel to a measuring channel by two microwave power dividers.

EFFECT: obtaining a map of microwave field values in polar coordinates, high sensitivity and noise-immunity of the measurement process.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области визуализации распределения в пространстве электрических полей СВЧ диапазона, что может быть использовано при разработке антенн и прочих устройств, взаимодействующих в пространстве с электрическими полями высокой частоты.The invention relates to the field of visualization of the distribution in space of electric fields of the microwave range, which can be used in the development of antennas and other devices that interact in space with high-frequency electric fields.

Известны работы в зарубежной научной литературе, в которых описывается получение картин пространственного распределения электрического поля СВЧ вокруг различных изучаемых изделий при помощи системы из двух плоских параллельно расположенных металлических листов, в зазоре между которыми располагаются устройство для подачи СВЧ мощности, перемещаемая зондирующая антенна и исследуемое изделие-образец [1]-[3].Known works in foreign scientific literature, which describe the receipt of patterns of spatial distribution of the microwave electric field around the various products studied using a system of two flat parallel metal sheets, in the gap between which are a device for supplying microwave power, a movable probing antenna and the product under study sample [1] - [3].

При формировании картин СВЧ поля авторы используют перемещающуюся в пространстве антенну-зонд, сигнал с которой направляется на векторный анализатор цепей (ВАЦ), фиксирующий амплитуду и фазу СВЧ сигнала в каждой точке пространства, где производятся измерения. Далее при помощи компьютерной программы эти результаты преобразуются в цветное изображение (в условных цветах), где каждый цвет соответствует величине напряженности электрического поля СВЧ в данной точке картины поля.When forming microwave field patterns, the authors use an antenna-probe moving in space, the signal from which is sent to a vector network analyzer (VAC), which records the amplitude and phase of the microwave signal at each point in space where measurements are made. Then, using a computer program, these results are converted into a color image (in conventional colors), where each color corresponds to the magnitude of the microwave electric field at a given point in the field picture.

При этом авторы [«Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies», D. Schurig, J.J. Mock, B.J. Justice, S.A. Cummer, J.B. Pendry, A.F. Starr, D.R. Smith, Science, V.314, 2006, p.977-980.] используют алюминиевые листы и куски материала-поглотителя СВЧ для формирования измерительной камеры - «пластинчатого волновода» («parallel plate waveguide»), в котором размещается исследуемый объект и производятся измерения, а также конец коаксиального кабеля, вставленный в сквозное отверстие в верхнем алюминиевом листе и образующий поверхностью среза одно целое с внутренней (нижней) поверхностью верхнего алюминиевого листа, в качестве измерительной антенны-зонда.Moreover, the authors of ["Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies", D. Schurig, J.J. Mock, B.J. Justice, S.A. Cummer, J.B. Pendry, A.F. Starr, D.R. Smith, Science, V.314, 2006, p.977-980.] Use aluminum sheets and pieces of microwave absorber material to form a measuring chamber - a “parallel plate waveguide”, in which the object under study is placed and produced measurements, as well as the end of the coaxial cable inserted into the through hole in the upper aluminum sheet and forming a cut surface integrally with the inner (lower) surface of the upper aluminum sheet, as a measuring antenna probe.

Перемещение зондирующей антенны производится при помощи «X-Y - робота», как его называют авторы публикаций [«Focusing by planoconcave lens using negative refraction», P. Vodo, P.V. Parimi, W.T. Lu, S. Sridhar, Applied Physics Letters, V.86, 201108, 2005, 3 р.] и [«Negative Refraction and Left-Handed Electro-magnetism in Microwave Photonic Crystals», P.V. Parimi, W.T. Lu, P. Vodo, J. Sokoloff, J.S. Derov, S.Sridhar, Physical Review Letters, V.92, N.12, 2004, p.127401-1-127401-4.]. Такой «робот» позволяет перемещать антенну-зонд в двух взаимно перпендикулярных направлениях по задаваемой ему перед началом измерительного процесса программе. Однако, нигде в статьях не раскрываются подробности устройства и принцип действия такого «робота».The probe antenna is moved using the “X-Y Robot,” as the authors of the publications [“Focusing by planoconcave lens using negative refraction”, P. Vodo, P.V. Parimi, W.T. Lu, S. Sridhar, Applied Physics Letters, V.86, 201108, 2005, 3 pp. And [Negative Refraction and Left-Handed Electro-magnetism in Microwave Photonic Crystals, P.V. Parimi, W.T. Lu, P. Vodo, J. Sokoloff, J.S. Derov, S. Sridhar, Physical Review Letters, V.92, N.12, 2004, p.127401-1-127401-4.]. Such a "robot" allows you to move the antenna probe in two mutually perpendicular directions in the program you set before the measurement process begins. However, nowhere in the articles are the details of the device and the principle of operation of such a "robot."

В одной из работ [«Microwave photonic crystal with tailor-made negative refractive index», P. Vodo, P.V. Parimi, W.T. Lu, S. Sridhar, R. Wing, Applied Physics Letters, V.85, N.10, 2004, p.1858-1860.] антенна-зонд перемещается по дуге окружности, подобно гониометру, снимая значения амплитуды и фазы СВЧ сигнала лишь в зависимости от угла, при постоянном значении радиуса такой дуги, что не дает возможности получать картины пространственного распределения СВЧ поля. Также в этой работе в качестве измерительной камеры используется безэховая камера больших размеров (5х8х4 метров).In one of the works ["Microwave photonic crystal with tailor-made negative refractive index", P. Vodo, P.V. Parimi, W.T. Lu, S. Sridhar, R. Wing, Applied Physics Letters, V.85, N.10, 2004, p.1858-1860.] The antenna probe moves along an arc of a circle, like a goniometer, taking only the amplitude and phase of the microwave signal depending on the angle, with a constant value of the radius of such an arc, which makes it impossible to obtain pictures of the spatial distribution of the microwave field. Also in this work, an anechoic chamber of large dimensions (5x4x4 meters) is used as a measuring chamber.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в создании устройства для получения в условных цветах картин пространственного распределения напряженности электрического поля СВЧ вокруг исследуемого изделия в полярных координатах, с задаваемым перед началом измерительного процесса шагом.The technical result, to which the claimed invention is directed, consists in creating a device for obtaining, in conventional colors, patterns of the spatial distribution of microwave electric field strength around the test article in polar coordinates, with a step that is set before the measurement process begins.

Для достижения указанного технического результата устройство для визуализации электрических полей СВЧ в пространстве содержит измерительную камеру «открытого» типа из двух расположенных горизонтально параллельных медных дисков, плоский прямоугольный латунный рупор, антенну-зонд из тонкого полужесткого коаксиального кабеля, с выступающим на конце центральным проводником, загнутым вверх под прямым углом, и перемещающуюся при помощи двух шаговых двигателей, управляемых компьютерной программой, как по дуге окружности, так и по ее радиусу, опорный канал, включенный параллельно измерительному при помощи двух делителей СВЧ мощности, а также векторный анализатор цепей (ВАЦ), соединенный с компьютером, на экране которого формируется цветное изображение электрической составляющей СВЧ электромагнитного поля в пространстве вокруг исследуемого образца.To achieve the specified technical result, the device for visualizing microwave electric fields in space comprises a “open” type measuring chamber of two horizontally parallel copper disks, a flat rectangular brass horn, a probe antenna made of a thin semi-rigid coaxial cable, with a central conductor protruding at the end, bent up at a right angle, and moving with the help of two stepper motors controlled by a computer program, both along an arc of a circle and along its radius su reference channel connected in parallel to measuring by means of two microwave power dividers and a vector network analyzer (VNA), connected to a computer, the screen of which is formed a color image of the electric component of the microwave electromagnetic field in the space around the sample.

Таким образом, данное измерительное устройство позволяет видеть на экране компьютера пространственную картину величины СВЧ поля в окружающем исследуемое изделие пространстве, отображаемую в условных цветах с некоторым заданным шагом, величину которого можно изменять при каждом измерении в некотором интервале.Thus, this measuring device allows you to see on the computer screen a spatial picture of the magnitude of the microwave field in the space surrounding the product under investigation, displayed in conventional colors with a certain predetermined step, the value of which can be changed during each measurement in a certain interval.

Характерными признаками предлагаемого устройства для визуализации СВЧ электрических полей в пространстве являются измерительная камера «открытого» типа, изготовленная из двух плоскопараллельных медных дисков, расположенных горизонтально, и плоский прямоугольный латунный рупор для подачи СВЧ мощности в измерительную камеру, а также применение чувствительной измерительной аппаратуры (ВАЦ), что позволяет использовать малые мощности СВЧ сигнала для получения картин поля вокруг исследуемых изделий и дает возможность изготовить измерительную камеру «открытой» (без применения поглощающего СВЧ материала) без всякого вреда, как для измерительного процесса (нет отражения от стен помещения и окружающих предметов), так и для здоровья обслуживающего персонала (нет опасности вредного для здоровья облучения). Важными отличительными признаками предлагаемой установки для визуализации СВЧ электрических полей в пространстве является также применение опорного канала, включенного параллельно измерительному в СВЧ цепь установки при помощи двух делителей СВЧ мощности, что обеспечивает более высокую чувствительность и помехоустойчивость измерительного процесса и то, что картина СВЧ поля рисуется не в Декартовых (X, Y), а в полярных (ρ, φ) координатах.Characteristic features of the proposed device for visualizing microwave electric fields in space are an "open" type measuring chamber made of two plane-parallel copper disks arranged horizontally, and a flat rectangular brass horn to supply microwave power to the measuring chamber, as well as the use of sensitive measuring equipment (VAC ), which allows the use of low power microwave signal to obtain patterns of the field around the investigated products and makes it possible to make measurements The open chamber (without the use of absorbing microwave material) without any harm, both for the measuring process (there is no reflection from the walls of the room and surrounding objects), and for the health of staff (there is no danger of radiation exposure harmful to health). An important distinguishing feature of the proposed installation for visualizing microwave electric fields in space is also the use of a reference channel connected in parallel to the measuring circuit in the microwave circuit of the installation using two microwave power dividers, which provides higher sensitivity and noise immunity of the measurement process and that the picture of the microwave field is not drawn in Cartesian (X, Y), and in polar (ρ, φ) coordinates.

Предлагаемое устройство для визуализации электрических полей СВЧ в пространстве позволяет видеть на экране компьютера картину пространственного распределения напряженности электрического поля СВЧ вокруг исследуемого изделия, отображаемую в условных цветах в полярных координатах с некоторым заданным шагом, величину которого можно изменять при каждом измерении в некотором интервале.The proposed device for visualizing microwave electric fields in space allows you to see on the computer screen a picture of the spatial distribution of the microwave electric field strength around the test product, displayed in arbitrary colors in polar coordinates with a certain specified step, the value of which can be changed with each measurement in a certain interval.

Предлагаемое устройство для визуализации СВЧ электрических полей иллюстрируется рисунками, представленными на фиг.1-2.The proposed device for visualizing microwave electric fields is illustrated by the drawings shown in Fig.1-2.

На фиг.1 показана схема устройства.Figure 1 shows a diagram of a device.

1 - два параллельных медных диска; 2 - подводящий СВЧ волновод; 3 - излучающий рупор; 4 - антенна-зонд; 5 - плита-основание; 6 - штатив; 7 - стойка-ось; 8 - шаговый двигатель кругового перемещения антенны-зонда; 9 - диск с зубчатой передачей; 10 - система радиального перемещения антенны-зонда; 11 - шаговый двигатель радиального перемещения; 12 - противовес; 13 - держатель верхнего диска; 14 - червячная пара для ручного вертикального перемещения верхнего диска; 15 - ручка для ручного вертикального перемещения верхнего диска.1 - two parallel copper discs; 2 - input microwave waveguide; 3 - radiating horn; 4 - antenna probe; 5 - base plate; 6 - a tripod; 7 - a rack axis; 8 - stepper motor circular motion of the antenna probe; 9 - a disk with gear transmission; 10 - system of radial movement of the antenna probe; 11 - stepper motor radial movement; 12 - counterweight; 13 - holder of the upper disk; 14 - a worm pair for manual vertical movement of the upper disk; 15 - handle for manual vertical movement of the upper disk.

На фиг.2 показана схема СВЧ цепи устройства визуализации СВЧ полей.Figure 2 shows a diagram of the microwave circuit of the device for visualizing microwave fields.

Работа установки для визуализации СВЧ электрических полей осуществляется следующим образом. Мощность СВЧ с встроенного в Векторный Анализатор Цепей Р4М-18 СВЧ генератора поступает по коаксиальному кабелю на делитель мощности, где сигнал делится на два: опорный и измерительный. Измерительный сигнал поступает по коаксиальному кабелю на коаксиально-волноводный переход и далее - по отрезку прямоугольного волновода на плоский излучающий латунный рупор. Из латунного рупора СВЧ мощность поступает в измерительную камеру - пространство между двумя плоскими параллельными медными дисками, расположенными горизонтально. В центре измерительной камеры, на нижнем диске располагается исследуемый образец. Антенна-зонд, анализирующая величину поля СВЧ в пространстве вокруг исследуемого образца, изготовленная из тонкого полужесткого коаксиального кабеля, с выступающим на конце центральным проводником, загнутым вверх под прямым углом, сканирует пространство измерительной камеры вокруг исследуемого образца. Это достигается перемещением антенны с помощью двух шаговых двигателей, управляемых компьютером, как по дуге окружности, так и в радиальном направлении, что и позволяет производить измерения СВЧ поля в измерительной камере вокруг исследуемого изделия в полярных координатах с заданным шагом. Снятые антенной-зондом значения СВЧ поля поступают по коаксиальному кабелю на второй делитель мощности, где суммируются и интерферируют с сигналом опорного канала. Далее суммарный сигнал передается на Векторный Анализатор Цепей Р4М-18 (ВАЦ), соединенный с компьютером, на экране которого, с помощью специальной обрабатывающей программы (также созданной нами на языке «Visual Basic 6.0») формируется цветное изображение электрической составляющей СВЧ электромагнитного поля в пространстве вокруг исследуемого образца. Цвет этого изображения определенным образом соответствует величине поля СВЧ.The operation of the installation for visualization of microwave electric fields is as follows. Microwave power from a microwave generator integrated into the P4M-18 Vector Network Analyzer P4M-18 comes through a coaxial cable to a power divider, where the signal is divided into two: reference and measuring. The measuring signal is transmitted through a coaxial cable to a coaxial waveguide junction and then through a piece of a rectangular waveguide to a flat radiating brass horn. Microwave power is supplied from the brass horn to the measuring chamber - the space between two flat parallel copper disks located horizontally. In the center of the measuring chamber, on the lower disk, the studied sample is located. An antenna probe that analyzes the magnitude of the microwave field in the space around the test sample, made of a thin semi-rigid coaxial cable, with a central conductor protruding at the end, bent up at a right angle, scans the space of the measuring chamber around the test sample. This is achieved by moving the antenna using two stepper motors controlled by a computer, both in a circular arc and in the radial direction, which allows measurements of the microwave field in the measuring chamber around the test article in polar coordinates with a given step. The microwave field values recorded by the antenna probe are transmitted through a coaxial cable to a second power divider, where they are summed and interfere with the signal of the reference channel. Further, the total signal is transmitted to the P4M-18 Vector Network Analyzer (VAC) connected to a computer, on the screen of which, using a special processing program (also created in Visual Basic 6.0), a color image of the electrical component of the microwave electromagnetic field in space is formed around the test sample. The color of this image in a certain way corresponds to the magnitude of the microwave field.

Claims

A device for visualizing microwave electric fields in space, characterized in that it contains a "open" measuring chamber of two horizontally parallel copper disks, a flat rectangular brass horn, an antenna probe made of a thin semi-rigid coaxial cable with a central conductor protruding at the end, bent up at a right angle, and moving using two stepper motors controlled by a computer program, both along the arc of a circle and along its radius, the reference channel, including nny parallel measuring by means of two microwave power dividers and a vector network analyzer (VNA), connected to a computer, the screen of which is formed a color image of the electric component of the microwave electromagnetic field in the space around the sample.