ИЗМЕРИТЕЛЬ РАССТРОЙКИ СВЧ-РЕЗОНАТОРА Российский патент 1994 года по МПК G01R27/32 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расстройки СВЧ-резонатора, которая вызывается введением исследуемого материала или вещества в электромагнитное поле резонатора.

Известен измеритель расстройки однорезонаторных датчиков (см.,например, Викторов В. А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М. : Наука, 1978, с.91-92, рис.29), содержащий высокочастотный генератор фиксированной частоты, подключенный к входу резонаторного датчика, последовательно соединенные амплитудный детектор, усилитель напряжения и индикатор, подключенные к выходу резонатора. Резонаторный датчик обладает определенной резонансной характеристикой, положение которой на частотной оси смещается при взаимодействии поля датчика с исследуемым материалом или веществом. Частота генератора выбирается такой, чтобы при смещении по частотной оси она приходилась на один из склонов резонансной характеристики. В этом случае амплитуда высокочастотных колебаний, детектируемых амплитудным детектором и измеряемых индикатором, определяется расстройкой резонатора, т.е. разностью частот генератора и собственной частотой резонатора.

Известная схема позволяет строить относительно простые высокочастотные измерители расстройки однорезонаторных датчиков. Повышенная погрешность измерения обусловлена изменением добротности датчика и нестабильностью амплитуды высокочастотного генератора, а также отсутствием стабильного нуля при отсутствии расстройки.

Известен также измеритель расстройки однорезонаторных датчиков (см., например, Безбородов Ю.М. и др. Фильтры СВЧ на диэлектрических резонаторах) Ю.М.Безбородов, Т.Н.Нарытник, В.Б.Федоров - Киев: Техника, 1989, с.172-173, рис, 7.17), содержащий сверхвысокочастотный (СВЧ) генератор, подключенный к однорезонаторному датчику (волноводный тройник, в полость которого введен диэлектрический резонатор), направленные ответвители подающего на резонатор и отраженного от него сигналов, два амплитудных детектора, к выходам которых подключен панорамный приемник.

Исследуемый материал помещают в волновод тройника в области местного поля резонатора. СВЧ-генератор работает в режиме свипирования частоты. Панорамный приемник регистрирует подающий на резонатор датчика и отраженный от него сигналы, выделяемые направленными ответвителями. При отсутствии исследуемого материала, т.е. отсутствии расстройки резонатора, схему калибруют так, что величина падающей и отраженной волн при их сравнении дает нулевой уровень. В случае расстройки резонатора вследствие взаимодействия с исследуемым материалом возникает разностное напряжение на выходах СВЧ-детекторов, которое и является мерой расстройки резонатора.

Недостатком этого измерителя является также невысокая точность из-за нестабильности нуля, которая вызывается неидентичностью и нестабильностью характеристик двух направленных ответвителей, двух амплитудных детекторов, входных каналов панорамного приемника и т.п.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является устройство для измерения расстройки СВЧ-резонатора (авт.св. СССР N 1471150, кл. G 01 P 27/32, 1987), содержащее первый и второй СВЧ-генераторы, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами управляемого СВЧ-переключателя и первым и вторым входами двойного волноводного тройника, первый выход которого является выходом для подсоединения входа исследуемого СВЧ-резонатора, последовательно соединенные балансный смеситель, полосовой фильтр, СВЧ-детектор, функциональный преобразователь, избирательный усилитель, фазочувствительный выпрямитель и индикатор, причем второй вход балансного смесителя соединен с выходом СВЧ-переключателя, первый вход является входом для подсоединения выхода исследуемого СВЧ-резонатора, а управляющие входы фазочувствительного выпрямителя соединены с управляющими входами СВЧ-переключателя и подключены к выходам парафазного генератора прямоугольных импульсов.

Благодаря использованию одноканальной схемы сравнения сигналов первого и второго СВЧ-генераторов, в которой сравниваемые сигналы поочередно преобразуются одним смесителем, одним полосовым фильтром, одним амплитудным детектором и т.д., устройство-прототип должно иметь высокостабильный ноль при отсутствии расстройки резонатора. Однако реальный ноль одноканальной схемы сравнения нестабилен, особенно при высокой добротности резонатора. Это объясняется использованием двух независимых СВЧ-генераторов, обладающих невысокой стабильностью. Неизбежный уход частоты любого из двух генераторов воспринимается одноканальной схемой как расстройка исследуемого резонатора, что приводит к большим погрешностям. Зависимость выходного напряжения одноканальной схемы сравнения от добротности нагруженного резонатора также вызывает дополнительные погрешности в измерении расстройки резонатора. Неизбежная нестабильность функционального преобразователя с амплитудной логарифмической характеристикой также снижает точность известного устройства.

Целью изобретения является повышение точности измерения расстройки СВЧ-резонатора за счет исключения влияния нестабильности частоты сигналов боковых частот и нагрузки на результат измерения.

Цель достигается тем, что в измеритель, содержащий управляемый СВЧ-переключатель, двойной волноводный тройник, один из выходов которого является выходом для подсоединения входа СВЧ-резонатора, и последовательно соединенные СВЧ-балансный смеситель, полосовой фильтp, амплитудный детектор, избирательный усилитель, фазочувствительный выпрямитель и индикатор, причем первый вход СВЧ-балансного смесителя является входом для подсоединения выхода однорезонаторного датчика, второй вход соединен с выходом управляемого СВЧ-переключателя, управляющие входы которого соединены с управляющими входами фазочувствительного выпрямителя, введены последовательно соединенные высокочастотный кварцевый генератор, умножитель частоты, СВЧ-балансный модулятор, выход которого через введенные параллельно включенные СВЧ-фильтры нижних и верхних частот соединен с входами волноводного тройника и входами управляемого СВЧ-переключателя, при этом второй вход СВЧ-балансного модулятора через введенный первый делитель частоты соединен с выходом высокочастотного генератора, а управляющие входы СВЧ-переключателя через введенный второй делитель частоты соединен с выходом первого делителя частоты.

Кроме того, в измеритель введены последовательно включенные управляемый делитель напряжения и широкополосный усилитель, включенные между выходом амплитудного детектора и входом избирательного усилителя, дифференциальный усилитель, источник опорного напряжения и интегратор, выход которого соединен с управляющим входом делителя напряжения, при этом первый вход дифференциального усилителя соединен с выходом широкополосного усилителя, второй вход - с выходом источника опорного напряжения, а выход подключен к входу интегратора.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый измеритель расстройки отличается наличием новых блоков: высокочастотного кварцевого генератора, умножителя частоты, СВЧ-балансного модулятора, СВЧ-фильтров нижних и верхних частот, первого и второго делителей частоты, а также управляемого делителя напряжения, широкополосного усилителя, дифференциального усилителя, источника опорного напряжения и интегратора, связями с остальными элементами схемы указанным образом. Следовательно, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого измерителя расстройки с другими техническими решениями показывает, что введенные блоки широко известны и используются в различных измерительных схемах. Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами схемы в заявляемом измерителе вышеуказанные блоки проявляют новые свойства: исключение влияния нестабильности частоты сигналов боковых частот и нагрузка СВЧ-резонатора на результат измерения, что приводит к повышению точности измерения расстройки СВЧ-резонатора. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На чертеже представлена структурная электрическая схема измерителя расстройки СВЧ-резонатора.

Измеритель содержит последовательно включенные высокочастотный кварцевый генератор 1, умножитель 2 частоты и СВЧ-балансный модулятор 3, к выходу которого через делитель 4 мощности подключены параллельно включенные фильтр 5 нижних частот и фильтр 6 верхних частот. Выходы фильтров 5 и 6 через делители 7 и 8 мощности соединены с входами двойного волноводного тройника 9 и входами плеч 10 и 11 СВЧ-переключателя. К выходу двойного волноводного тройника 9 подключен вход СВЧ-резонатора 12, выход которого соединен с первым входом балансного смесителя 13, второй вход которого через волноводный тройник 14 соединен с выходами плеч 10 и 11 СВЧ-переключателя. К выходу смесителя 13 подключены последовательно соединенные полосовой фильтр 15, амплитудный детектор 16, управляемый делитель 17 напряжения, широкополосный усилитель 18, избирательный усилитель 19, фазочувствительный выпрямитель 20 и индикатор 21. Выход широкополосного усилителя 18 соединен с первым входом дифференциального усилителя 22, второй вход которого соединен с источником 23 опорного напряжения, а выход - через интегратор 24 - с управляющим входом делителя 17 напряжения. К кварцевому генератору 1 подключен также первый делитель 25 частоты, выход которого соединен с вторым входом балансного модулятора 3 и входом второго делителя 26 частоты, парафазные выходы которого соединены с управляющими входами плеч 10 и 11 СВЧ-переключателя и симметричными входами фазочувствительного выпрямителя 20.

Измеритель работает следующим образом.

Частота ω_o высокочастотного кварцевого генератора 1 умножается в m раз в умножителе 2 частоты до получения СВЧ-сигнала, на частоту ω₁=mω_oкоторого первоначально настроен СВЧ-резонатор 12 (пустой или взаимодействующий с эталонным материалом). Одновременно частота ω_oделится в n₁ раз делителем 25 частоты до получения низкой частоты Ω=ω_o/n₁, равной половине полосы пропускания Δω_o настроенного СВЧ-резонатора 12, при этом Ω=Δω_o/2.

В балансном модуляторе 3 СВЧ-сигнал частоты ω₁ перемножается с модулирующим низкочастотным сигналом частоты Ω. В результате образуется балансно-модулированный СВЧ-сигнал вида
U₁(t)= UUcos[(ω₁-Ω)t+φ₁-φ₂]+cos[(ω₁+Ω)t+φ₁+φ₂] (1) где S₁ - крутизна балансного смесителя 3.

U_m1 и U_m2 - амплитуды перемноженных сигналов;
ϕ₁ и ϕ₂ - начальные фазы перемноженных сигналов.

Из балансно-модулированного сигнала (1) с помощью СВЧ-фильтра 5 нижних частот выделяют сигнал разностной частоты ω₂=ω₁-Ω U₂(t)= K₁UUcos(ω₂t+φ₁-φ₂-Δφ₁), (2) а с помощью СВЧ-фильтра 6 верхних частот - сигнал суммарной частоты ω₃=ω+Ω , (3) где К₁ и К₂ - коэффициенты передач соответственно фильтра 5 нижних и фильтра 6 верхних частот;
Δϕ₁ и Δϕ₂ - фазовые сдвиги, вносимые фильтрами 5 и 6.

В двойном волноводном тройнике 9 суммируются сигналы разностной U₂(t) и суммарной U₃(t) частот, которыми возбуждается СВЧ-резонатор 12. Сигнал разностной частоты ω₂ представляет собой сигнал нижней боковой полосы резонатора, а сигнал суммарной частоты ω₃ - сигнал верхней боковой частоты.

Сигналы нижней и верхней боковых частот проходят через настроенный резонатор в пределах его полосы пропускания с одинаковыми небольшими ослаблениями, вызванными некоторой расстройкой резонатора с собственной частотой ω_p= ω₁. Сигнал частоты ω₂, прошедший резонатор с коэффициентом передачи К₃ на нижней границе полосы пропускания, принимает значение U₄(t)= K₁K₃UUcos(ω₂t+φ₁-φ₂-Δφ₁-Δφ₃) (4) где K₃= , (5) где К_о - коэффициент передачи СВЧ-резонатора 12 на собственной частоте; Q₀= - добротность ненагруженного резонатора;
λ₁= - относительная расстройка резонатора на частоте ω₂;
Δϕ₃=arctgQλ - фазовый сдвиг, вносимый резонатором на частоте ω₂.

Сигнал частоты ω₃, прошедший резонатор с коэффициентом передачи К₄на верхней границе полосы пропускания, принимает значение (6) где K₄= , (7) где λ₂= - относительная расстройка резонатора на частоте ω₃;
Δϕ₄=arctgQ_oλ₂ - фазовый сдвиг, вносимый резонатором на частоте ω₃.

Ослабленные СВЧ-резонатором 12 сигналы U₄(t) и U₅(t) поступают на первый вход СВЧ-балансного смесителя 13, на второй вход которого через плечи 10 и 11 СВЧ-переключателя поступают сигналы U₂(t) и U₃(t) с выходов фильтра 5 нижних и фильтра 6 верхних частот. Плечи 10 и 11 СВЧ-переключателя управляются выходными противофазными импульсами выходного напряжения делителя 26 частоты. Коэффициент деления n₂ второго делителя 26 частоты выбирают таким, чтобы частота Ω _к переключений была меньше частоты Ω модуляции в 100-200 раз:
( Ω_к≅Ω (100 - 200)).

В результате смешивания сигнала U₂(t) частоты ω₂, прошедшего через открытое плечо 10 СВЧ-переключателя, с ослабленным сигналом U₅(t) частоты ω₃ образуется низкочастотный сигнал разностной частоты ω₃-ω₂=2Ω и СВЧ-сигнал суммарной частоты ω₃+ω₂= 2ω₁. Полосовой фильтр 15 с центральной частотой, равной удвоенному значению частоты модуляции |2Ω| , выделяет низкочастотный сигнал U₆(t)= S21

При смешивании сигнала U₃(t) частоты ω₃ , прошедшего через открытое плечо 11 СВЧ-переключателя, с ослабленным сигналом U₄(t) частоты ω₂ также образуется низкочастотный сигнал удвоенной частоты модуляции U₇(t)= K₁K₂K₃K₅UUcos(2Ωt+φ₂-φ₁-Δφ₂+Δφ₄) (9)
В результате периодического переключения плеч 10 и 11 СВЧ-переключателя через полосовой фильтр 15 проходят пакеты низкочастотных сигналов U₆(t) и U₇(t) одной и той же частотой 2Ω длительностью в полупериод Т_к/2 коммутации |Т_к = 2π/Ω_к|.

В результате детектирования пакетов напряжения U₆(t) и U₇(t) амплитудным детектором 16 образуются видеоимпульсы с амплитудами ; (10) U₉= K₁K₂K₄K₅UU, (11) где S₃ - крутизна амплитудного детектора 16.

Избирательным усилителем 19, настроенным на частоту коммутации Ω _кСВЧ-переключателя, усиливается напряжение огибающей видеоимпульсов. Усиленное напряжение выпрямляется фазочувствительным выпрямителем 20, управляющие входы которого соединены с управляющими входами плеч СВЧ-переключателя, и измеряется индикатором 21.

Измеряемое напряжение с учетом выражения (10) и (11) принимает вид U₁₀= K₆ = K₁K₂K₅K₆(K₃ K₄), (12) где К₆ - коэффициент усиления избирательного усилителя 19.

В настроенном СВЧ-резонаторе 12 (ω₆=ω₁)квадраты относительных расстроек по боковым частотам равны (λ₁²=λ₂²). Поэтому индицируемое напряжение (12) равно нулю (К₃ = К₄ и U₁₀ = 0). Этим обеспечивается стабильный ноль измерительной схемы при отсутствии расстройки резонатора датчика при любых измерениях параметров его блоков (К₁, К_2, К₅, К₆, S₁, S₂, S₃) и добротности Q_o.

Когда электромагнитное поле датчика начинает взаимодействовать с исследуемым материалом или веществом, то его собственная частота ω_p<N>¹уменьшается за счет вносимой реактивности ( ω_p¹<ω_p=ω₁ ) и происходит смещение полосы пропускания резонатора по оси частот вниз. При малых расстройках резонатора ((λ_р< )) и смещении собственной частоты вниз разностная частота ω₂=ω₁-λ попадает в полосу пропускания резонатора, а суммарная частота ω₃=ω₁+Ω выходит за пределы полосы пропускания. В этом случае сигнал разностной частоты (4) принимает значение
U(t)= K₁K UUcos(ω₂t+φ₁-φ₂-Δφ₁-) (13) где К₃¹ и Δϕ₃¹ - коэффициент передачи и фазовый сдвиг расстроенного резонатора в пределах его полосы пропускания (K₃¹≈K₃).

Сигнал суммарной частоты (5), проходящий вне полосы пропускания расстроенного резонатора, становится равным U(t)= K₂KUUcos(ω₃t+φ₁+φ₂-Δφ₂-) (14) где К₄¹ и Δϕ₄¹ - коэффициент передачи и фазовый сдвиг расстроенного резонатора за пределами его полосы пропускания (К₄¹ < < К₄).

Измеряемое напряжение (12) с учетом выражений (13) и (14) принимает вид U = K₁K₂K₅K₆(K-K). (15)
Из выражения (15) видно, что выходное напряжение U₁₀¹пропорционально разности коэффициентов передач резонатора на разностной и суммарной частотах, которые определяются расстройкой резонатора на этих частотах.

Для исключения влияния непостоянства параметров большинства блоков измерителя на результат измерения расстройки резонатора видеоимпульсы с выхода амплитудного детектора 16 на избирательный усилитель 19 поступают через управляемый делитель 17 и широкополосный усилитель 18. При этом на первый вход дифференциального усилителя 22 воздействует постоянная составляющая напряжения видеоимпульсов U₁₁= = K₁K₂K₅K₇K₈(K+K), (16) где К₇ - коэффициент передачи управляемого делителя 17 напряжения;
К₈ - коэффициент усиления широкополосного усилителя 18.

На второй вход дифференциального усилителя 22 воздействует постоянное напряжение стабилизированного источника 23 опорного напряжения. На входе дифференциального усилителя 22 формируется разностное напряжение U₁₂ = K₉ (U₁₁ - U_o) (17) где U_o - опорное напряжение источника 23;
К₉ - коэффициент усиления дифференциального усилителя 22.

Усиленное разностное напряжение дифференциального усилителя 22 заряжает интегратор 24, выходное напряжение которого управляет коэффициентом передачи делителя 17 напряжения. Процесс регулирования коэффициента передачи делителя 17 напряжения прекращается при уравнении входных напряжений дифференциального усилителя 22 (U_n = U_o). При этом коэффициент передачи делителя 17 напряжения принимает значение K₇= . (18)
Переменная составляющая напряжения видеоимпульсов, которая в цепи регулирования усредняется интегратором 24, выделяется и усиливается избирательным усилителем 19. Напряжение (15) с учетом результируемого коэффициента передачи (18) делителя 17 напряжения и коэффициента усиления широкополосного усилителя 18 принимает значение U= . (19)
При взаимодействии СВЧ-резонатора 12 с исследуемым материалом или веществом, как указывалось выше, его собственная частота ω_p¹уменьшается (ω_p¹<ω_p), а полоса пропускания ω_o¹ расширяется за счет вносимых потерь (Δω_o¹>Δω_o). В результате возникает расстройка резонатора относительно частоты ω₁ возбуждающего сигнала -Δω=ω_p¹-ω_p=ω_p¹-ω₁, (20) а добротность нагруженного резонатора уменьшается до значения Q_н < Q_о.

Коэффициенты передач К₃¹ и К₄¹ расстроенного резонатора на разностной ω₂ и суммарной ω₃ частотах в соответствии с выражениями (5) и (7) принимают вид K= ; (21) K= , (22) где - относительная расстройка нагруженного резонатора на частоте ω₂;
- относительная расстройка нагруженного резонатора на частоте ω₃.

Подставляя значения К₃¹ и К₄¹ в выражение (19), получают U= 2K₆U₀ . (23)
В высокодобротных расстроенных резонаторах Q_н² λ² >> 1. Поэтому выражение (23) можно упростить U= 2K₆U₀, (24) где |λ| - абсолютные значения расстроек.

Подставляя в выражение (24) абсолютные значения относительных расстроек λ₁¹ и λ₂¹, получают U= 2K₆U₀. (25)
Так как ω₃+ω₂-2ω₁=0, a ω₃- -ω₂=2Ω , то окончательно получают U= 2 K₆U₀ . (26)
Если выразить абсолютную расстройку Δω резонатора через его относительную расстройку λ_p= 2Δω/ω_p= 2Δω/ω₁, (27) то выражение (26) примет вид U= Κ₆U₀λ_р= mn₁K₆U₀λ_р. (28)
Таким образом, показания индикатора 21 пропорциональны относительный расстройке λ_p СВЧ-резонатора 12, а коэффициент пропорциональности определяется коэффициентом умножения m умножителя 2 частоты, коэффициентом деления n₁ делителя 25 частоты, величиной U_oопорного напряжения стабилизированного источника 23 и коэффициентом усиления К₆ избирательного усилителя 19. С помощью последнего легко изменять пределы измерения в зависимости от ожидаемой расстройки СВЧ-резонатора.

Из выражения (28) видно, что результат измерения не зависит от вносимых потерь, изменяющих добротность Q₄ резонатора. Кроме того, в предложенной схеме измерителя расстройки резонатора отсутствует функциональный преобразователь с логарифмической характеристикой, что исключает погрешность от нестабильности параметpов этого нелинейного блока. Не влияет также на результат измерения расстройки непостоянство амплитуд сигналов U_m1 и U_m2, формируемых другими нелинейными блоками (умножителем 2 частоты и делителем 25 частоты).

Таким образом, использование изобретения в качестве измерителя диэлектрических параметров εи tgδ диэлектриков с большими потерями по сравнению с прототипом позволит существенно (не менее чем в 3-5 раз) повысить точность измерения расстройки СВЧ-резонаторов, используемых для исследования материалов и веществ.

Использование: в измерительной технике для измерения расстройки СВЧ-резонатора, которая вызывается введением исследуемого материала или вещества в электромагнитное поле резонатора. Сущность изобретения: измеритель расстройки СВЧ-резонатора содержит управляемый СВЧ-переключатель, двойной волноводный тройник, один из выходов которого является выходом для подсоединения входа СВЧ-резонатора, последовательно соединенные СВЧ-балансный смеситель, полосовой фильтр, амплитудный детектор, избирательный усилитель, фазочувствительный выпрямитель и индикатор, последовательно соединенные высокочастотный кварцевый генератор, умножитель частоты, СВЧ-балансный модулятор, выход которого через введенные параллельно включенные СВЧ-фильтры нижних и верхних частот соединен с входами волноводного тройника и входами управляемого СВЧ-переключателя, причем второй вход СВЧ-балансного модулятора через введенный первый делитель частоты соединен с выходом высокочастотного генератора, а управляющие входы СВЧ-переключателя через введенный второй делитель частоты соединен с выходом первого делителя частоты, последовательно включенные управляемый делитель напряжения и широкополосный усилитель, включенные между выходом амплитудного детектора и входом избирательного усилителя, дифференциальный усилитель, источник опорного напряжения и интегратор. 1 ил.

ИЗМЕРИТЕЛЬ РАССТРОЙКИ СВЧ-РЕЗОНАТОРА, содержащий СВЧ-генератор, управляемый СВЧ-переключатель, первый и второй входы которого соединены с соответствующими выходами двойного волноводного тройника, третий выход которого является выходом для подсоединения входа однорезонаторного датчика, и последовательно соединенные балансный смеситель, полосовой фильтр и амплитудный детектор, а также последовательно соединенные избирательный усилитель, фазочувствительный выпрямитель и индикатор, причем первый вход балансного смесителя является входом для подсоединения выхода СВЧ-резонатора, второй вход соединен с выходом управляемого СВЧ-переключателя, управляющие входы которого соединены с управляющими входами фазочувствительного выпрямителя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, СВЧ-генератор выполнен кварцевым, введены последовательно соединенные умножитель частоты, вход которого соединен с выходом кварцевого СВЧ-генератора, СВЧ-балансный модулятор, выход которого через параллельно включенные СВЧ-фильтры нижних и верхних частот соединен с входами двойного волноводного тройника и входами управляемого СВЧ-переключателя, причем второй вход СВЧ-балансного модулятора через введенный первый делитель частоты соединен с выходами кварцевого СВЧ-генератора, а управляющие входы СВЧ-переключателя через введенный второй делитель частоты соединены с выходом первого делителя частоты, а также введены последовательно соединенные управляемый делитель напряжения и широкополосный усилитель, включенные между выходом амплитудного детектора и входом избирательного усилителя, дифференциальный усилитель, источник опорного напряжения и интегратор, выход которого соединен с управляющим входом управляемого делителя напряжения, первый вход дифференциального усилителя соединен с выходом широкополосного усилителя, второй вход - с выходом источника опорного напряжения, а выход дифференциального усилителя подключен к входу интегратора.