13.4. ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

13.4.1. Спектрометры

Оптические принципы могут быть положены в основу [44, 112] устройства целого ряда приборов и систем СВЧ, которые можно разделить в общем на три класса: спектрометры, применяемые для измерения углов и направлений; интерферометры, служащие для измерения расстояний, и системы с делением луча, используемые для определения мощности и затухания. Однако так как существуют ограничения, обусловленные дифракцией, которая возникает в излучающих отверстиях практически встречающихся размеров,

то нельзя во всех случаях считать, что построенный прибор будет работать столь же эффективно, как его оптический аналог. Например, проволочные сетки были использованы [252] в качестве поляризационных фильтров, а анизотропные диэлектрики используются [140] для преобразования линейной поляризации в круговую.

На рис. 13.14, а изображен типичный прибор СВЧ, являющийся аналогом оптического спектрометра, который использовал Калшоу [70] в установке для диапазона Генератор и детектор соединены с рупорными излучателями, которые укреплены на радиальных направляющих, вращающихся вокруг центра градуированного кругового лимба диаметром

Рис. 13. 14. Спектрометр оптического типа для миллиметровых волн: а — эскиз прибора; б - угловая зависимость принимаемого сигнала без образца. (См. [70].)

Рупоры могут передвигаться вдоль направляющих, так что их расстояние от центра может изменяться от 10 до 75 см. Для изменения плоскости поляризации подставки поддерживающие рупоры имеют цилиндрические градуированные втулки, в которых рупоры могут вращаться вокруг своих осей. В раскрывах рупоров установлены линзы, которые создают в излучающих отверстиях синфазное поле с равномерным амплитудным распределением в плоскости Е и косинусоидальным распределением в плоскости Н. Угол раствора рупоров равен излучающие отверстия — квадратные со стороной 7,5 см; фокусное расстояние полистироловых линз равно 15 см, причем с обеих сторон линзы покрыты неотражающим слоем, а на окружающем металле имеются скосы в 45°.

На рис. 13.14, б показаны кривые принимаемых сигналов в отсутствие испытуемого образца для перпендикулярной и параллельной поляризаций при удалении рупоров от центра на 38 см. Такой спектрометр пригоден для измерений диэлектрической проницаемости различных материалов, имеющих форму пластин; для этого снимается зависимость отражательной способности от угла падения.

При расположении рупоров на больших расстояниях от центра спектрометра кривые имеют резкие минимумы, однако на расстояниях около 10 см эти минимумы слегка расплываются. Это небольшое уменьшение разрешающей способности связано с некоторым увеличением уровня боковых частей углового спектра при расстояниях, соответствующих зоне Френеля.

Имеются [30, 102, 207] также другие конструкции СВЧ спектрометров, которые применялись для измерений параметров материалов [200, 217, 337]. Кокрейн [54] использовал на частоте призмы из искусственного диэлектрика. Параллельно-пластинчатая призма с углом 15° имела вид ящика с ячейками для перевозки яиц; расстояние между пластинами было равно 2 см, что давало коэффициент преломления 0,6.

Рис. 13, 15. Спектрометр с решеткой типа эшелетт. Размер равен 1 см, расстояние между элементами вдоль нормали к падающему лучу, равное может изменяться путем вращения решетки. Шарнирный механизм сохраняет отражающие плоскости параллельными. (См. [53].)

Апертура призмы была квадратной со стороной причем на поверхности, обращенной к рупору, пластины были перпендикулярны к плоскости его апертуры. Падающая волна формировалась линзой с круглой апертурой размером результаты экспериментов оказались в хорошем согласии с общей теорией.

Соллом и Браун [232] применяли иной вариант конструкции, пригодный для измерений параметров искусственных сред лишь небольшой величины. Расстояние между пластинами немного превышало размер узкой стенки соответствующего волновода, так что в качестве облучателей можно было использовать секториальные рупоры, расширяющиеся в магнитной плоскости. Рупоры имели апертуру размером так что ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности равнялась 7°, а максимальный уровень боковых лепестков был на 23 дб ниже максимума главного лепестка.

Сконструированы спектрометры с диспергирующими призмами, у которых направление выходного пучка зависит от частоты [216]. Искусственная среда может иметь вид решетки из стержней и решетки из листов с системой резонансных щелей. В других спектрометрах используются дифракционные решетки [99, 105, 163, 166, 341]. На рис. 13.15 показана конструкция эшелетта Коутса [53]; решетка состоит из 75 полукруглых стержней из нержавеющей стали, их плоские стороны образуют отражающие поверхности, облучателем является вырезка из параболоида. Стержни соединены с помощью шарниров таким образом, что при вращении решетки вокруг оси плоские стороны стержней всегда обращены к облучателю, хотя эффективное расстояние между ними изменяется по косинусоидальному закону. Решетка располагается на расстоянии приблизительно от облучателя; измерения проводились в диапазоне частот от 24 до