На первом этаже корпуса Университета ИТМО на улице Ломоносова находится новое помещение с металлическими стенами. Его уникальность в том, что оно не пропускает радиоволны. Это безэховая камера, недавно построенная для Нового физтеха.
О том, что такое безэховая камера и для чего она нужна, рассказывает научный сотрудник факультета Андрей Саянский:
«В основном, безэховые камеры используются для измерений, связанных с антенной техникой. Допустим, у вас есть антенна, и вы хотите измерить ее характеристики. Если вы это сделаете в поле, в комнате или на улице, то на результат ваших измерений будут влиять многочисленные переотражения от земли, стен, людей поблизости. Поэтому для проведения испытаний антенн используются специальные помещения, где все поверхности покрыты радиопоглощающим материалом, устраняющим этот эффект. Камеры бывают совершенно разных размеров ― от совсем маленьких, размером с небольшую комнату, до огромных, куда помещаются автомобили и даже самолеты».
Новая безэховая камера Университета ИТМО занимает более 50 квадратных метров ― это часть большого лабораторного комплекса, в котором можно проводить полный цикл экспериментального исследования: от изготовления экспериментальных образцов до проведения испытаний. Место под размещение комплекса искали несколько месяцев, еще более полугода ушло на строительство камеры и ремонт.
Комната, где потерялось эхо
Рядом со входом в комнату расположены рабочие места сотрудников лабораторного комплекса ― здесь есть все необходимое для подготовки к экспериментам и для их проведения. Для создания образцов активно применяется фрезерный станок и специальный 3D принтер.
Первое, что видят люди, заходя в безэховую камеру ― это стены, обклеенные пористым синим материалом в форме небольших пирамидок. Похожий вид имеют поглотители, которые используют в студиях звукозаписи. Форма и размер пирамидок, составляющих «рельеф» стен, подобраны специально, чтобы поглощать волны именно того диапазона, с которыми работают в этом помещении. Также поглощаются и слышимые человеческим ухом звуковые волны. Поэтому внутри можно услышать, как звучит ваш голос даже без едва различимого эха, которое присутствует в любом обычном помещении.
«Внутри есть ощущение, что все немного приглушенно, ― рассказывает Андрей Саянский. ― Если вы возьмете телефон и включите на нем музыку в обычной комнате, то звук будет один, здесь ― совсем другой. Давит ли эта приглушенность и отсутствие эха на человека? На самом деле нет ― ощущение достаточно комфортное».
Техническая сторона вопроса
Обшивка из поглощающего радиоволны помещения камеры ― важная, но не самая сложная часть новой безэховой камеры. Помимо самой комнаты для измерений, необходимо также дорогое и сложное оборудование.
«Помимо пирамидок, которыми все покрыто, здесь находится трехкоординатный позиционер ― проще говоря, сканер, ― объясняет Андрей Саянский. ― Это устройство, позволяющее с субмиллиметровой точностью перемещать измерительную антенну для последующей регистрации электромагнитного поля вблизи исследуемых объектов. Также есть специальный измерительный стенд на основе поворотного устройства, предназначенный для измерения характеристик рассеяния исследуемых объектов, а также для измерения характеристик направленности антенн».
Все оборудование подготовлено к работе в безэховой камере: все выпирающие металлические части покрыты поглощающим материалом. Это позволяет избежать влияния на результаты эксперимента.
Особое место занимает специальный прибор ― векторный анализатор цепей. Именно с его помощью ученые могут измерять характеристики прохождения сигнала через объект, а также характеристики отраженного сигнала от его поверхности. Для удобства оператора прибор установлен снаружи камеры. От прибора идут радиочастотные кабели, которые через специальные фильтры могут присоединятся к радиочастотным кабелям, проложенным под специальными укрытиями внутри камеры.
Управление всеми приборами осуществляется удаленно с помощью специального программного обеспечения, разработанного при участии сотрудников факультета.
«Наша старая безэховая камера, которая располагалась на Васильевском острове, находилась в отдельном помещении и не была экранирована, то есть, несмотря на наличие поглощающего материала, внешние сигналы все равно проходили внутрь камеры. Сейчас же мы можем быть уверены, что внешние источники не способны повлиять на качество проводимых нами измерений», ― говорит Андрей Саянский .
От антенны до квадрокоптера
Покрытие камеры и установленное в ней оборудование позволяет уже сейчас проводить опыты в частотном диапазоне от 800 МГц до 20 ГГц.
«Чтобы оценить, что это такое, можно привести пример: мобильный телефон работает на частотах, лежащих в диапазоне от 800 мегагерц до 2,5 гигагерц, ― поясняет Андрей Саянский. ― Самый распространенный Wi-fi имеет частоту 2,4 ГГц, новое оборудование, еще не вошедшее в большой обиход ― 5 ГГц. Навигационные приемники GPSГлонасс работают с частотами от 1 до 1.6 ГГц. В связи с развитием сетей 5G есть потребность создавать антенны, работающие на частотах до 26 гигагерц. Практически все эти частоты наша камера покрывает».
В новой безэховой камере уже испытывались разные типы антенн, включая линзовую антенну X диапазона, а также измерялись характеристики рассеяния различных объектов ― от маленьких диэлектрических сфер до квадрокоптера.
«Рассеивание объекта ― это его отклик на внешнее воздействие электромагнитным излучением, ― рассказывает Саянский. ― Если вы облучаете объект извне, он сам превращается в источник излучения. Это явление активно используется в радиолокации, когда требуется определить положение объекта».
Сутки непрерывных наблюдений
По словам Андрея Саянского, большая часть времени ученых уходит на то, чтобы подготовить образец и оборудование к эксперименту. Инженеру нужно организовать пространство, установить объект. Если измеряются характеристики рассеивания, то ученым надо также правильным образом расположить приемную антенну, которая принимает рассеянное от объекта излучение.
«Человек, который провел большой объем измерений, понимает, что в принципе для измерения характеристик рассеивания исследуемого объекта требуется закладывать не менее одного дня. Почему так долго? Сначала надо собрать стенд и подготовиться к измерениям, потом измерить, затем проанализировать данные. При правильной постановке эксперимента это занимает пару часов чистого времени, но всегда могут возникать непредвиденные моменты, которые могут привести к необходимости проведения повторных измерений. Поэтому всегда необходимо планировать время с запасом, ― говорит он. ― Впрочем, иногда возникает необходимость в измерениях, требующих часов непрерывных измерений. В этом случае экспериментатору приходится задерживаться на работе до окончания процесса. В исследованиях необходимо учитывать любую мелочь ― даже слегка приоткрытая дверь может серьезно повлиять на результат».
Уникальный комплекс
Сегодня комплекс в Университете ИТМО является одним из самых совершенных в городе, подчеркивают на Новом физтехе. Поэтому здесь проводятся не только научные работы, но и исследования для промышленных партнеров.
«Безэховые камеры ― очень дорогое удовольствие, особенно для университетов, ― рассказывает Андрей Саянский. ― Даже когда к нам приходят люди из компаний, они говорят, что у них такого оборудования нет. Здесь можно решать полный цикл задач от разработки до испытания образцов».
Доступность для студентов
Более 70% студентов-магистрантов Нового физтеха трудоустраиваются на факультет в течение первого года, в этот момент у них появляется возможность полноценно заниматься исследованиями в лабораториях. В новом радиофизическом комплексе уже работают студенты-сотрудники магистерской программы «Радиочастотные системы и устройства».
«Я устроился на факультет год назад, когда закончил первый курс магистратуры, и начал работу по RFID-меткам (проект "Миниатюрные RFID-метки для беспроводной идентификации на большом расстоянии”, поддержанный РНФ) под руководством научного сотрудника Алексея Слобожанюка, ― рассказывает выпускник магистерской программы “Радиочастотные системы и устройства” Ильдар Юсупов. ― Сначала мы проектируем структуры, которые будут работать в качестве меток для радиочастотной идентификации, затем мы их изготавливаем и с помощью векторного анализатора цепей (VNA) проверяем, удовлетворяют ли получившиеся метки характеристикам, которые мы закладывали. После этого мы тестируем эти метки на коммерческом оборудовании: на RFID-ридере, который используют в магазинах, на складах и т.д.»
Как замечает Ильдар, сейчас лаборатория представляет собой открытое большое пространство, где одновременно и комфортно могут работать гораздо больше людей (порядка 20 человек), чем раньше, когда лаборатория ютилась в маленьком помещении на Кадетской линии Васильевского острова.
«Круто, что еще будучи студентами у нас есть возможность работать с профессиональным оборудованием, ― продолжает Ильдар. ― В этот момент ты не просто готовишься к профессиональной деятельности, но и учишься обращаться с дорогими установками. Оборудование очень чувствительное, любое неправильное обращение может привести к поломке, поэтому аккуратность ― прежде всего».
