CC BY
132
ОПТИКА, ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И КОМПЛЕКСЫ
УДК 535.4
ОПТИЧЕСКИЕ МИКРОВОЛНОВЫЕ ЛИНЗЫ
Максим Михайлович Кузнецов
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры специальных устройств и технологий, тел. (913)921-44-39, e-mail: [email protected].
Игорь Николаевич Карманов
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой физики, тел. (383)343-29-33
В статье рассматриваются вопросы классификации микроволновых линз, дается сравнительный анализ их оптических характеристик по сравнению с простыми оптическими линзами. Большое внимание уделено отличию свойств преломляющих сред в СВЧ диапазоне, основанном на различии фазовых скоростей волн, распространяющихся в свободном пространстве по сравнению с волнами, распространяющимися между параллельными металлическими стенками. В статье описывается применение различных типов микроволновых и СВЧ линз для разных областей науки и техники; приводится исследование зависимости направления вектора поляризации к нормальной поверхности с учетом направления падения лучей как для отражающих, так и для преломляющих поверхностей в зависимости от их формы: плоскость, эллипс, окружность, гипербола, а также материала изготовления - стекло, металл.
Ключевые слова: микроволновые линзы, волна, оптика, показатель преломления, поляризация, антенна, остаточная аберрация, стабильность технологического процесса.
OPTICAL MICROWAVE LENSES
Maxim M. Kuznetsov
Siberian State University Geosy stems and Technology, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Associate Professor of the Department of Special Devices and Technologies, tel. (913)921-44-39, e-mail: [email protected]
Igor N. Karmanov
Siberian State University Geosy stems and Technology, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Associate Professor, Head of Department of Physics, tel. (383)343-29-33
The article deals with the classification of a lens is given comparative analysis of their optical characteristics in comparison with simple optical lenses, great attention is paid to the difference between the properties of refractive media in the microwave range, based on the difference of phase velocities of waves propagating in free space compared to the waves propagating between parallel metal walls. The article describes the use of various types of microwave and microwave lenses for different fields of science and technology; provides a survey on the direction of the polarization vector normal to the surface with respect to the direction of incidence of rays, for reflecting and refracting surfaces, depending on their shape: plane, ellipse, circle, hyperbola, and so the same material - glass, metal.
Key words: a lens, wave, optics, refractive index, polarization, antenna, residual aberration, the stability of the technological process.
Помимо оптических линз, принцип действия которых в диапазоне СВЧ аналогичен принципу действия в диапазоне оптических волн, в диапазоне СВЧ представляется возможным использовать преломляющие среды, действие которых основано на различии фазовых скоростей волны, распространяющейся в свободном пространстве, и волны, распространяющейся между параллельными металлическими стенками [1]. Их широко используют для исследования реальных скоростей оптических волн [2], в комплексных оптических СВЧ устройствах [3], для измерения скоростей боеприпасов [4], в сложных коаксиальных резонаторах [5] и системах оптической локации технологического контроля интегральных схем [6]. Если расстояние между стенками составляет от 0,5 до 1,0 длины волны излучения, для этого случая цилиндрические линзы, облучаемые линейным источником, рассчитываются на основании тех же принципов, что и оптические. На окончательный результат расчета оказывает влияние только тот факт, что кажущийся показатель преломления среды берется меньше 1.
Непосредственная подстановка показателя преломления, меньшего 1, в уравнения, определяющие профили поверхностей, приводит к тому, что гиперболическая поверхность преобразуется в эллиптическую, а эллиптическая - в гиперболическую. Вторая поверхность линзы выбирается, как обычно, нормальной по отношению к направлению падающих или проходящих через нее лучей. Однако при использовании точечного источника это возможно только для одной плоскости падения, а именно той, которая параллельна вектору поляризации волны источника. В ортогональной плоскости волна вынуждена изменить свое направление на направление, параллельное поверхности пластин. Аналогичный эффект также имеет место, когда вектор поляризации перпендикулярен набору параллельных пластин. Эта приводит к появлению так называемых псевдопоказателей отражения, величина которых изменяется в зависимости от угла падения волны. Для построения линзы, свойства которой не зависят от углов лия и ориентации вектора поляризации, создаются конструкции из двух наборов ортогональных систем металлических пластин, как правило, с одинаковым расстоянием между ними, что позволяет получить среду из волноводов квадратного сечения.
Ввиду того, что псевдопоказатель преломления изменяется в зависимости от угла падения луча, расчет таких линз необходимо вести исходя из длины оптического пути.
Принципы расчета двух этих основных типов линз хорошо известны из ра-
Разновидности преломляющих сред волноводного типа могут быть получены также из волноводов шестиугольной, прямоугольной (для линейно поляризованного источника) и, если допустимы потери до 10 %, круглой формы поперечного сечения. Еще одну степень свободы можно получить, обеспечив изменение показателя преломления среды путем изменения размеров волновода в надлежащих зонах, что, естественно, должно быть согласовано с конструктивными требованиями. Основное отличие микроволновых линз от оптических состоит в том, что оптические линзы имеют максимальную ширину (в осевом направлении) в центре. Как показано на рис. 1, для сред с показателем преломления, меньшим 1, справедливо обратное утверждение, и поэтому в последующем изложении толщина линз в центре будет принята равной нулю.
Теперь покажем, что два основных типа линз с принудительным преломлением (с эллиптическим и гиперболическим профилями) не являются отдельными, изолированными категориями, как это имеет место для соответствующих оптических линз, а представляют собой два бесконечных множества форм, любая из которых может быть выбрана в целях реализации предпочтительной геометрии или распределения возбуждения.
Фокусирующие линзы. В общем виде форма двухповерхностной линзы с постоянным показателем преломления ограничена, как показано на рис. 2, кривыми ОРР и ОQQ, причем первая поверхность линзы описывается кривой (р, ф), отнесенной (как к началу координат) к точке размещения источника ¥, а вторая поверхность описывается кривой (г, 0), отнесенной к точке f.
бот [7, 8].
Плоскость и эллипс
Окружность и гипербола
Рис. 1. Металло-воздушные линзы
Без потери общности можно считать, что в центре линза имеет нулевую толщину, поскольку в этом случае введение дополнительного постоянного пути распространения внутри линзы приводит только к перемещению кривой ОQQ вправо параллельно самой себе.
В результате расчетов по [9] находим, что профили поверхностей представляют собой эллипсы.
Широкоугольные линзы (рис. 3). Для реализации точно расположенных фокусов в двух симметричных относительно оси точках при расчете микроволновых линз с принудительным преломлением могут быть использованы дополнительные степени свободы. Если, согласно методу Рузе [10], исходить из равенства длины оптических путей до каждого из фокусов, то это даст возможность определить профиль фронта. Однако при этом заданным оказывается только одно соотношение, а именно между толщиной линзы и показателем преломления.
X
Рис. 3. Широкоугольные сканирующие линзы
Следовательно, форма второй поверхности остается пока неопределенной. Поэтому для обеспечения определенности требуется сформулировать второе условие, что позволит выбирать третью лежащую на оси точку в качестве месторасположения точного фокуса или, по меньшей мере, в качестве точки минимальной остаточной аберрации. Три заданные таким образом точки определят дугу, вдоль которой может перемещаться источник, причем в этом случае фронт преломленной волны наиболее близок к плоскости. В качестве такой дуги обычно выбирают дугу окружности, содержащую три указанных точки, причем в такой системе реальный угол сканирования оказывается шире, чем это следует из анализа положения двух крайних положений фокусов.
Наилучшее согласование со свободным пространством имеет рупорная антенна с корректирующей диэлектрической линзой 1 в ее раскрыве (рис. 4). Она применяется либо для создания плоского фронта СВЧ волн (рис. 4, а), либо фокусировки СВЧ излучения на небольшой площади подобно обычной двояковыпуклой линзе в оптическом диапазоне. Минимальный диаметр пятна в фокусе получается примерно равным рабочей длине волны X (рис. 4, б).
Рис. 4. СВЧ облучатель в виде рупорно-линзовой антенны для создания плоского фронта волны (а) и для фокусировки излучения (б)
На рис. 5 показан рупорно-параболический облучатель, применяемый для раскалывания бетонных плит. При X = 12,6 см и Ризл = 2,5 кВт бетонная плита толщиной 200 мм раскалывается через несколько секунд или минут после начала облучения.
Рис. 5. СВЧ облучатель в виде рупорно-параболической антенны
При использовании электромагнитных волн коротковолновой части сантиметрового и миллиметрового диапазонов применение резонансных камер становится невыгодным из-за их малых поперечных размеров [11]. Более эффективно осуществить направленное излучение СВЧ энергии и при этом получить равномерное по интенсивности поле облучения на заданной площади и близкое к нулю поле вне этой площади.
Равномерное излучение на прямоугольном участке поля создает пирамидальный рупор, подключенный к прямоугольному волноводу с волной Н10. Однако постоянство плоскости поляризации напряженности электрического поля Е в этом случае допустимо не для всех применений. Например, наиболее эффективно воздействуют миллиметровые волны на бактерии тогда, когда вектор Е параллелен большему размеру бактерии. А так как бактерии ориентированы в облучаемом пространстве хаотически, то для повышения эффективности облучения желательно иметь равномерное по мощности распределение поля на площади, ограниченной кругом, и в пределе этой площади иметь круговую поляризацию вектора Е.
Подобного типа облучатель изображен на рис. 6. Его применение позволяет формировать пучок электромагнитных волн с передачей на облучаемую поверхность до 80 % энергии, излучаемой рупором при допустимом изменении интенсивности напряженности электрического поля на 3 дБ от максимального значения. Без применения описанной системы формирования на равномерно облучаемую поверхность приходилось только 55 % излученной рупором энергии поля волны.
Рис. 6. Облучатель с круговой поляризацией вектора напряженности электрического поля:
1 - переход с прямоугольного волновода с сечением 2,6 х 5,2 мм на круглый волновод диаметром 6,2 мм; 2 - фазосдвигающая диэлектрическая пластина; 3 - рупор с раскрывом 150 мм; 4 - линза из фторопласта; 5 - прижимное кольцо
В реальных условиях серийного производства решение всех выше указанных задач невозможно без качественной технологической отработки изделий [12, 13] и высокой стабильности технологических процессов их изготовления, методика контроля которой описана в работе [14].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Корнблит С. СВЧ оптика. Оптические принципы в приложении к конструированию СВЧ антенн / Пер. с англ.; Под ред. О. П. Фролова. - М. ; Связь, 1980. - 360 с.
2. Кошелев A. В., Дубинина A. A. Исследование реальных скоростей оптических волн по результатам прецизионных интерференционных и светодальномерных измерений // Вестник CrrA. - 2013. - Вып. 3 (23). - С. 120-127.
3. Комплексные оптические СВЧ и ИК экспериментальные измерения параметров плазменной антенны реактивного типа для безопасных Wifi сетей / И. В. Минин, О. В. Минин, В. H. Москвин, М. В. Кузнецов // Вестник CrrA. - 2012. - Вып. 4 (20). - С. 126-133.
4. Aйрапетян В. С., Губин С. Г. Устройство для измерения скорости боеприпасов // Вестник CEFA. - 2013. - Вып. 1 (21). - С. 73-78.
5. Кузнецов М. М., Карманов И. H., Воронин М. Я. Сложные коаксиальные резонаторы на основе псевдосфер Лобачевского // Вестник C^A. - 2013. - Вып. 2 (22). - С. 88-97.
6. Системы оптической локации технологического контроля интегральных схем i монография / М. Я. Воронин, И. H. Карманов, М. М. Кузнецов, И. В. Лесных, A. В. Синельников; Под общ. ред. М. Я. Воронина. - ^восибирск i C^A, 2013. - 239 с.
7. Born M. and Wolf E. The Principles of Optics, Pergamon Press, 1953. - 246 p.
8. Silver S. Microwave Antenna Theory and Design, MIT Radiation Laboratory Series Vol. 12, McGraw Hill, 1949, 402 p.
9. Collind R. E. and Zucker F. J. Antenna Theory Part II, McGraw Hill, 1969, 123 p.
10. Ruze J. Wide-angle metal plate optics, Proc. I.R.E. 38, (1950), 53.
11. Пчельников Ю. H., Свиридов В. Т. Электроника сверхвысоких частот. - М. i Радио и связь, 1981. - 96 с.
12. Кузнецов М. М., Соснов A. H., Марач A. A. Общие положения и основные задачи отработки изделий современного приборостроения на технологичность // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. i Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» i сб. материалов в 2 т. (Иовосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - ^восибирск i C^A, 2012. Т. 1. -С.107-112.
13. Кузнецов М. М., Соснова H. К., Марач A. A. Технологичность изделий современного приборостроения // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. i Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» i сб. материалов в 2 т. (Hовосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). -восибирск i СГГА 2012. Т. 1. - С. 98-102.
14. Об оценке стабильности производственных процессов в условиях единичного и мелкосерийного производства / В. Г. Эдвабник, Ю. М. Фартышев, A. К. Гаутцель, М. М. Кузнецов // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. i Междунар. науч. конф. «СибОптика-2013» i сб. материалов в 2 т. (Ловосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - ^воси-бирск i СГГА 2013. Т. 1. - С. 195-201.
Получено 15.10.2015
© М. М. Кузнецов, И. Н. Карманов, 2Q15
