СПОСОБ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЗОНАНСНЫХ СТРУКТУР И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2015 года по МПК G01R27/00 

Техническое решение относится к способам и устройствам для резонансных радиотехнических измерений, в частности, к способам и устройствам для измерения характеристик резонансных структур, таких как резонансная частота, амплитуда и добротность, которые затем используются для вычисления и мониторинга комплексной диэлектрической проницаемости различных материалов, например, в ходе технологических процессов отверждения термореактивных полимеров. Базовым элементом устройств, реализующих указанные способы измерений, является планарный, линейный или объемный резонансный датчик, у которого меняется резонансная частота, амплитуда и добротность как после его заполнения полимером, так и в силу приобретения полимером в ходе технологического процесса отверждения новых физико-химических свойств и соответствующего изменения его электрофизических характеристик.

Известен способ для измерения характеристик резонансных структур (см. Патент США №6617861 B1 «Устройство и метод для измерения и мониторинга комплексной диэлектрической проницаемости материалов», 324/637, МПК 8 G01R 27/04, 09.09.2003), заключающийся в том, что генерируют одночастотное зондирующее колебание, подают его на вход и принимают с выхода резонансной структуры, перестраивают частоту зондирующего колебания в диапазоне измерений, соответствующем полосе частот резонансной структуры, регистрируют изменения его параметров, по которым определяют резонансные частоту f_p, амплитуду U_p и добротность Q резонансной структуры.

Устройство, реализующее данный способ, содержит перестраиваемый по частоте генератор, соединенный с коммутатором, детектор, соединенный с контроллером управления и измерения характеристик резонансных структур, а также последовательно соединенные первую линию передачи, резонансную структуру и вторую линию передачи, при этом первый выход коммутатора подключен к входу первой линии передачи, его второй вход к выходу второй линии передачи, а второй выход к входу детектора, перестраиваемый по частоте генератор, коммутатор, детектор и контроллер управления и измерения характеристик резонансных структур имеют входы/выходы управления, объединенные в шину управления.

Недостатком устройства, применяемого при данном способе, и является использование широкополосного пикового детектора мощности СВЧ диапазона, ширина полосы пропускания которого может достигать 1-10 ГГц и определяется характеристиками обрабатываемых материалов и диапазоном измерений. Спектральное измерение мощности характеризуется малым отношением сигнал/шум, обусловленным как широкой полосой и гомодинным характером приема выходного колебания резонансной структуры, так и наличием интенсивных шумов пикового детектора низкочастотной природы. Все это приводит к появлению дополнительных источников погрешностей измерения характеристик резонансных структур и снижению их точности в целом.

Прототипом технического решения является способ для измерения характеристик резонансных структур (описанный в работе устройства для измерения характеристик резонансных структур, см. Патент РФ №124812 U1 на полезную модель «Устройство для измерения характеристик резонансных структур», МПК G01R 27/04, 25.09.2012), заключающийся в том, что генерируют исходное одночастотное колебание, передают его к резонансной структуре, а с выхода резонансной структуры принимают зондирующее колебание уже на детекторе, на выходе которого образуется сигнал, соответствующий огибающей биений двух составляющих выходного двухчастотного колебания, далее перестраивают среднюю частоту f_C зондирующего двухчастотного колебания с заданным шагом в диапазоне измерений, соответствующем полосе частот резонансной структуры с сохранением постоянной в ходе перестройки разностной частоты, регистрируют изменения его параметров, по которым определяют резонансную частоту f_p, амплитуду U_p и добротность Q резонансной структуры.

Устройство для реализации описанного выше способа, выбранное в качестве прототипа, содержит последовательно соединенные перестраиваемый по частоте генератор, преобразователь одночастотного колебания в многочастотное, выполненный как преобразователь одночастотного колебания в двухчастотное, коммутатор и детектор, контроллер управления и измерения характеристик резонансных структур, а также последовательно соединенные первую линию передачи, резонансную структуру и вторую линию передачи, причем второй выход коммутатора подключен к входу первой линии передачи, а второй вход к выходу второй линии передачи, при этом перестраиваемый по частоте генератор, преобразователь одночастотного колебания в многочастотное, коммутатор и контроллер управления и измерения характеристик резонансных структур имеют входы/выходы управления, объединенные в шину управления.

Описанный выше способ и устройство используют оборудование, применимое в условиях производства и реальных технологических процессов. Его использование позволяет избавиться от шумов низкочастотной природы. Однако недостатком данного способа и устройства является использование широкополосного детектора огибающей СВЧ диапазона, ширина полосы пропускания которого может достигать 100-1000 МГц и определяется значением большей разностной частоты двухчастотного зондирующего колебания. Данная полоса пропускания меньше, чем у аналога, однако, и в этом случае вклад шумов при обработке сигнала на выходе детектора будет значительным, что приводит к снижению чувствительности измерений.

Решаемая техническая задача заключается в повышении чувствительности и точности измерений.

Решаемая техническая задача в способе для измерения характеристик резонансных структур, заключающемся в том, что генерируют исходное одночастотное колебание, передают его к резонансной структуре, а с выхода резонансной структуры принимают зондирующее колебание уже на детекторе, на выходе которого образуется сигнал, соответствующий огибающей биений двух составляющих выходного двухчастотного колебания, далее перестраивают среднюю частоту f_C зондирующего двухчастотного колебания с заданным шагом в диапазоне измерений, соответствующем полосе частот резонансной структуры с сохранением постоянной в ходе перестройки разностной частоты, регистрируют изменения его параметров, по которым определяют резонансные частоту f_p, амплитуду U_p и добротность Q резонансной структуры, достигается тем, что зондирующий сигнал формируют состоящим из двух двухчастотных колебаний соответственно с составляющими f₁₁, f₁₂ и f₂₁, f₂₂ одинаковой амплитуды или попарно одинаковой амплитуды $$U_{11}^{\text{'}}=U_{12}^{\text{'}}$$ и $$U_{21}^{\text{'}}=U_{22}^{\text{'}}$$ , со средней частотой равной f_C=(f₁₂+f₁₁)/2=(f₂₂+f₂₁)/2, затем задают разностные частоты между формируемыми составляющими первого и второго двухчастотных колебаний соответственно Δf_P1=f₁₂-f₁₁ и Δf_P2=f₂₂-f₂₁ как правило меньших или одна из которых равна ширине полосы пропускания резонансной структуры, при этом сама средняя частота подавляется, а на сформированные разностные частоты Δf_P1 и Δf_P2 производится настройка перестраиваемых избирательных фильтров первой и второй разностной частот, затем передают оба двухчастотных колебания к резонансной структуре, на выходе которой происходит изменение амплитуд составляющих, где они становятся неравными в зависимости от взаимного положения их средней частоты f_C и резонансной частоты f_P, далее оба двухчастотных колебания подаются на детектор, на выходе которого образуются сигналы, соответствующие биениям первого и второго двухчастотных сигналов, соответственно на частотах, равных первой и второй разностным частотам Δf_P1 и Δf_P2, затем подается команда для перестройки средней частоты двухчастотных колебаний с заданным шагом в диапазоне измерений, соответствующем полосе частот резонансной структуры, и в это же время в ходе перестройки регистрируют изменение средней частоты f_C двухчастотных колебаний и измеряют коэффициенты модуляции m₁ и m₂ огибающих и, если при достижении равенства средней частоты f_C резонансной частоте f_P значения m₁ и m₂ становятся равными единице, тогда останавливают перестройку частоты f_C и определяют резонансную частоту f_P как равную значению средней частоты f_C в данный момент времени, и измеряют в данный момент времени амплитуду огибающих первой U₁ и второй U₂ пар двухчастотных колебаний на выходе резонансной структуры, а сам факт равенства коэффициентов модуляции m₁ и m₂ единице для огибающих сигналов биений первого и второго двухчастотных колебаний с разностными частотами Δf_P1 и Δf_P2, зарегистрированный на выходе перестраиваемых избирательных фильтров первой и второй разностных частот, используется для принятия решения об определении резонансной частоты f_P=f_C, после чего вычисляют резонансную амплитуду U_p резонансной структуры 7 по выражению:

где χ=U₂Δf_P2/U₁Δf_P1, и добротность Q резонансной структуры 7 по выражению:

где i=1, 2.

Решаемая техническая задача в устройстве для измерения характеристик резонансных структур, содержащем последовательно соединенные перестраиваемый по частоте генератор, преобразователь одночастотного колебания в многочастотное, коммутатор и детектор, а также содержащем контроллер управления и измерения характеристик резонансных структур, последовательно соединенные с коммутатором первую линию передачи, резонансную структуру и вторую линию передачи, где второй выход коммутатора подключен к входу первой линии передачи, а второй вход коммутатора подключен к выходу второй линии передачи, достигается тем, что преобразователь одночастотного колебания в многочастотное выполнен как формирователь двух двухчастотных колебаний с равными или попарно равными амплитудами составляющих, с одинаковой средней частотой и разными разностными частотами и дополнительно введены перестраиваемые избирательные фильтры соответственно первой и второй разностных частот, подключенные входами параллельно к выходу детектора, выходами соответственно к первому и второму входам контроллера управления и измерения характеристик резонансных структур, а перестраиваемый по частоте генератор, преобразователь одночастотного колебания в многочастотное, коммутатор, контроллер управления и измерения характеристик резонансных структур и перестраиваемые избирательные фильтры и соответственно первой и второй разностных частот имеют входы/выходы управления, объединенные в шину управления.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства, реализующего предложенный способ измерения характеристик резонансных структур.

На фиг.2 показано спектральное расположение двух двухчастотных колебаний относительно резонансной структуры в случае совпадения их средней частоты с резонансной частотой резонансной структуры, где f₁₁ и f₁₂, f₂₁ и f₂₂ - частоты составляющих двух двухчастотных зондирующих колебаний на выходе преобразователя одночастотного колебания в многочастотное; f_c=(f₁₂+f₁₁)/2=(f₂₂+f₂₁)/2 - средняя частота двух двухчастотных зондирующих колебаний; Δf_P1=f₁₂-f₁₁ и Δf_P2=f₂₂-f₂₁ - первая и вторая разностные частоты двухчастотных зондирующих колебаний; f_p - резонансная частота резонансной структуры; U₁ и U₂ - амплитуды составляющих двух двухчастотных зондирующих колебаний, отраженные от или прошедшие через резонансную структуру и выделенные соответственно на первой и второй разностных частотах Δf_P1 и Δf_P2 на выходе перестраиваемых избирательных фильтров и первой и второй разностных частот; U_P - резонансная амплитуда резонансной структуры.

На фиг.3 показана относительная обобщенная расстройка полосы пропускания резонансной структуры, на которой отображена зависимость коэффициента модуляции огибающей биений сигналов первого двухчастотного колебания, полученного на выходе преобразователя одночастотного колебания в многочастотное, прошедшего через или отраженного от резонансной структуры и зарегистрированного на выходе перестраиваемого избирательного фильтра первой разностной частоты, от относительной обобщенной расстройки полосы пропускания резонансной структуры.

В приложении 1 представлен алгоритм управления контроллером управления и измерения характеристик резонансных структур отдельными блоками устройства в ходе измерений через шину управления, в приложении 2 дан алгоритм работы контроллера управления и измерения характеристик резонансных структур для осуществления измерений характеристик резонансных структур.

Устройство для измерения характеристик резонансных структур (фиг.1) содержит последовательно соединенные перестраиваемый по частоте генератор 1, преобразователь 2 одночастотного колебания в многочастотное, коммутатор 3 и детектор 4, а также содержит контроллер 5 управления и измерения характеристик резонансных структур, последовательно соединенные с коммутатором 3 первую линию передачи 6, резонансную структуру 7 и вторую линию передачи 8, где второй выход коммутатора 3 подключен к входу первой линии передачи 6, а второй вход коммутатора подключен к выходу второй линии передачи 8, причем преобразователь 2 одночастотного колебания в многочастотное выполнен как формирователь двух двухчастотных колебаний с равными или попарно равными амплитудами составляющих, с одинаковой средней частотой и разными разностными частотами и дополнительно введены перестраиваемые избирательные фильтры 9 и 10 соответственно первой и второй разностных частот, подключенные входами параллельно к выходу детектора 4, выходами соответственно к первому и второму входам контроллера 5 управления и измерения характеристик резонансных структур, а перестраиваемый по частоте генератор 1, преобразователь 2 одночастотного колебания в многочастотное, коммутатор 3, контроллер 5 управления и измерения характеристик резонансных структур и перестраиваемые избирательные фильтры 9 и 10 соответственно первой и второй разностных частот имеют входы/выходы управления, объединенные в шину управления 11.

Изображенными на фиг.1 штриховыми линиями условно показаны первая 6 и вторая 8 линии передачи, выполненные на основе коаксиального кабеля. Соединения между перестраиваемым по частоте генератором 1, преобразователем 2 одночастотного колебания в многочастотное, коммутатором 3 и детектором 4 также показаны штриховыми линиями, поскольку имеют отношения к СВЧ блокам. Тип используемых соединений (полосковый, коаксиальный, волноводный и т.д.) условно не показан, поскольку они могут быть выполнены в любом исполнении, в том числе и интегральном при интегральном объединении всех блоков устройства для измерения характеристик резонансных структур. Система электропитания блоков, входящих в состав устройства для измерения характеристик резонансных структур, условно не показана.

На фиг.2 показано спектральное расположение двух двухчастотных колебаний на выходе резонансной структуры 7 в случае совпадения их средней частоты f_C с резонансной частотой f_P резонансной структуры 7.

Изображенные на фиг.2 составляющие первого и второго двухчастотных колебаний f₁₁, f₂₁, f₂₂, f₁₂ и их расположение показаны в случае совпадения их средней частоты f_C=(f₁₂+f₁₁)/2=(f₂₂+f₂₁)/2 с резонансной частотой f_P резонансной структуры 7. Сигнал, зондирующий резонансную структуру 7, в отличие от существующих аналогов и прототипа представляет собой два двухчастотных колебания соответственно с составляющими f₁₁, f₁₂ и f₂₁, f₂₂ с различными разностными частотами Δf_P1=f₁₂-f₁₁ и Δf_P2=f₂₂-f₂₁. Исходные амплитуды составляющих $$U_{11}^{\text{'}}$$ , $$U_{12}^{\text{'}}$$ и $$U_{21}^{\text{'}}$$ , $$U_{22}^{\text{'}}$$ на выходе преобразователя 2 одночастотного колебания в многочастотное равны $$U_{11}^{\text{'}}=U_{12}^{\text{'}}=U_{21}^{\text{'}}=U_{22}^{\text{'}}$$ или попарно равны $$U_{11}^{\text{'}}=U_{12}^{\text{'}}$$ и $$U_{21}^{\text{'}}=U_{22}^{\text{'}}$$ . В случае совпадения их средней частоты f_C с резонансной частотой f_P резонансной структуры амплитуды составляющих первого и второго двухчастотных колебаний, отраженные от или прошедшие через резонансную структуру 7, будут равны попарно U₁=U₁₁=U₁₂ и U₂=U₂₁=U₂₂.

На фиг.3 показана относительная обобщенная расстройка полосы пропускания резонансной структуры. Отображена зависимость коэффициента модуляции m₁ огибающей биений сигналов первого двухчастотного колебания, полученного на выходе преобразователя 2 одночастотного колебания в многочастотное, прошедшего через или отраженного от резонансной структуры 7 и зарегистрированного на выходе перестраиваемого избирательного фильтра 9 первой разностной частоты, от относительной обобщенной расстройки полосы пропускания резонансной структуры 7.

Изображенная на фиг.3 зависимость коэффициента модуляции m₁ огибающей биений первого двухчастотного колебания на разностной частоте Δf_P1 от относительной обобщенной расстройки полосы пропускания резонансной структуры 7 представлена для случая, когда разностная частота Δf_P1 меньше или равна ширине ее полосы пропускания. Характерной точкой данной зависимости является точка нулевой относительной обобщенной расстройки, которая соответствует равенству средней частоты f_C зондирующего колебания резонансной частоте f_P резонансной структуры 7. В этом случае коэффициент модуляции m₁ огибающей сигнала биений первого двухчастотного колебания на разностной частоте Δf_P1, зарегистрированный на выходе перестраиваемого избирательного фильтра 9 первой разностной частоты, будет равен единице.

Все сказанное выше относится и к зависимости коэффициента модуляции m₂ огибающей биений второго двухчастотного колебания с разностной частотой Δf_P2. В этом случае коэффициент модуляции m₂ огибающей сигнала биений второго двухчастотного колебания с разностной частотой Δf_P2, зарегистрированный на выходе перестраиваемого избирательного фильтра 10 второй разностной частоты, будет равен единице.

Факт равенства коэффициентов модуляции m₁ и m₂ единице для огибающих сигналов биений первого и второго двухчастотных колебаний с разностными частотами Δf_P1 и Δf_P2, зарегистрированных на выходе перестраиваемых избирательных фильтров 9 и 10 первой и второй разностных частот, используется для принятия решения об определении резонансной частоты f_P=f_C.

Рассмотрим осуществление способа и работу устройства для измерения характеристик резонансных структур.

Для начала работы с устройством производят включение блоков к сети электропитания согласно их нормируемому напряжению.

Для измерения характеристик резонансных структур с помощью перестраиваемого по частоте генератора 1 генерируют исходное одночастотное колебание, которое преобразуют в зондирующее колебание в преобразователе 2 одночастотного колебания в многочастотное.

Для этого с контроллера 5 управления и измерения характеристик резонансных структур через шину управления 11 подается команда управления параметрами генерации перестраиваемого по частоте генератора 1 преобразования в преобразователе 2 одночастотного колебания в многочастотное и настройки перестраиваемых избирательных фильтров 9 и 10 первой и второй разностной частот. Алгоритм управления контроллером 5 управления и измерения характеристик резонансных структур отдельными блоками устройства в ходе измерений через шину управления 11 представлен в Приложении 1.

В соответствии с поданной командой зондирующий сигнал в преобразователе 2 одночастотного колебания в многочастотное формируют состоящим из двух двухчастотных колебаний соответственно с составляющими f₁₁, f₁₂ и f₂₁, f₂₂ одинаковой амплитуды $$U_{11}^{\text{'}}=U_{12}^{\text{'}}=U_{21}^{\text{'}}=U_{22}^{\text{'}}$$ или попарно одинаковой амплитуды $$U_{11}^{\text{'}}=U_{12}^{\text{'}}$$ и $$U_{21}^{\text{'}}=U_{22}^{\text{'}}$$ . Для его формирования в перестраиваемом по частоте генераторе 1 генерируют среднюю частоту равную f_C=(f₁₂+f₁₁)/2=(f₂₂+f₂₁)/2. Средняя частота поступает в преобразователь 2 одночастотного колебания в многочастотное, в котором по полученной команде задают разностные частоты между формируемыми составляющими первого и второго двухчастотных колебаний соответственно Δf_P1=f₁₂-f₁₁ и Δf_P2=f₂₂-f₂₁, как правило, меньше или одна из которых равна ширине полосы пропускания резонансной структуры 7. При этом сама средняя частота подавляется. На сформированные разностные частоты Δf_P1 и Δf_P2 производится настройка перестраиваемых избирательных фильтров 9 и 10 первой и второй разностной частот.

Затем передают оба двухчастотных колебания к резонансной структуре 7 через коммутатор 3 и первую линию передачи 6. В обоих двухчастотных колебаниях, проходящих через или отраженных от резонансной структуры 7, происходит изменение амплитуд составляющих, они становятся неравными в зависимости от взаимного положения их средней частоты f_C и резонансной частоты f_P резонансной структуры 7.

Далее принимают оба двухчастотных колебания после воздействия на резонансную структуру 7 на детекторе 4. При этом возможна реализация двух режимов приема в зависимости от типа резонансной структуры 7, приспособленной для работы на отражение или пропускание.

- При работе на отражение в соответствии с алгоритмом управления по шине управления 11 включают коммутатор 3 по команде с контроллера 5 управления и измерения характеристик резонансных структур в режим «циркулятора», так что отраженные от резонансной структуры 7 выходные двухчастотные колебания через первую линию передачи 6 и первый выход коммутатора 3 поступают на второй выход коммутатора 3 и далее на детектор 4.

- При работе на пропускание в соответствии с алгоритмом управления по шине управления 11 включают коммутатор 3 по команде с контроллера 5 управления и измерения характеристик резонансных структур в режим «двойного Т-моста», так что прошедшие через резонансную структуру 7 выходные двухчастотные колебания через вторую линию передачи 8 и второй вход коммутатора 3 поступают на второй выход коммутатора 3 и потом на детектор 4.

На выходе детектора 4 образуются сигналы, отраженные от или прошедшие через резонансную структуру 7, соответствующие биениям первого и второго двухчастотных сигналов соответственно на частотах, равных первой и второй разностным частотам Δf_P1 и Δf_P2, которые также соответственно выделяются перестраиваемыми избирательными фильтрами 9 и 10 первой и второй разностных частот.

Далее в соответствии с алгоритмом управления подают команду по шине управления 11 с контроллера 5 управления и измерения характеристик резонансных структур на перестраиваемый по частоте генератор 1 для перестройки средней частоты двухчастотных колебаний с заданным шагом в диапазоне измерений, соответствующем полосе частот резонансной структуры 7, и на преобразователь 2 одночастотного колебания в многочастотное для сохранения постоянных в ходе перестройки разностных частот Δf_P1 и Δf_P2.

В ходе перестройки в контроллере 5 управления и измерения характеристик резонансных структур регистрируют изменение средней частоты f_C двухчастотных колебаний и измеряют коэффициенты модуляции m₁ и m₂ огибающих на выходе перестраиваемых избирательных фильтров 9 и 10 первой и второй разностных частот. При достижении равенства средней частоты f_C резонансной частоте f_P резонансной структуры 7 (фиг.2) значения m₁ и m₂ становятся равными единице (фиг.3). Тогда останавливают перестройку средней частоты f_C и определяют резонансную частоту f_P резонансной структуры 7 как равную значению средней частоты f_C в данный момент времени, и измеряют в данный момент времени амплитуду огибающих первой U₁ и второй U₂ пар двухчастотных колебаний на выходе резонансной структуры 7. Алгоритм работы контроллера 5 управления и измерения характеристик резонансных структур для осуществления измерений характеристик резонансных структур представлен в Приложении 2.

На фиг.2 показано спектральное расположение двух двухчастотных колебаний на выходе резонансной структуры 7 в случае совпадения их средней частоты f_C с резонансной частотой f_P резонансной структуры 7.

Изображенные на фиг.2 составляющие первого и второго двухчастотных колебаний f₁₁, f₂₁, f₂₂, f₁₂ и их расположение показаны в случае совпадения их средней частоты f_C=(f₁₂+f₁₁)/2=(f₂₂+f₂₁)/2 с резонансной частотой f_P резонансной структуры 7. Зондирующий резонансную структуру 7 сигнал в отличие от существующих аналогов и прототипа представляет собой два двухчастотных колебания соответственно с составляющими f₁₁, f₁₂ и f₂₁, f₂₂ с различными разностными частотами Δf_P1=f₁₂-f₁₁ и Δf_P2=f₂₂-f₂₁. Исходные амплитуды составляющих $$U_{11}^{\text{'}}$$ , $$U_{12}^{\text{'}}$$ и $$U_{21}^{\text{'}}$$ , $$U_{22}^{\text{'}}$$ на выходе преобразователя 2 одночастотного колебания в многочастотное равны $$U_{11}^{\text{'}}=U_{12}^{\text{'}}=U_{21}^{\text{'}}=U_{22}^{\text{'}}$$ или попарно равны $$U_{11}^{\text{'}}=U_{12}^{\text{'}}$$ и $$U_{21}^{\text{'}}=U_{22}^{\text{'}}$$ . В случае совпадения их средней частоты f_C с резонансной частотой f_P резонансной структуры амплитуды составляющих первого и второго двухчастотных колебаний, отраженные от или прошедшие через резонансную структуру 7, будут равны попарно U₁=U₁₁=U₁₂ и U₂=U₂₁=U₂₂.

На фиг.3 изображена зависимость коэффициента модуляции m₁ огибающей биений сигналов первого двухчастотного колебания, полученного на выходе преобразователя 2 одночастотного колебания в многочастотное, прошедшего через или отраженного от резонансной структуры 7 и зарегистрированного на выходе перестраиваемого избирательного фильтра 9 первой разностной частоты, от относительной обобщенной расстройки полосы пропускания резонансной структуры 7.

Изображенная на фиг.3 зависимость коэффициента модуляции m₁ огибающей биений первого двухчастотного колебания на разностной частоте Δf_P1 от относительной обобщенной расстройки полосы пропускания резонансной структуры 7 представлена для случая, когда разностная частота Δf_P1 меньше или равна ширине ее полосы пропускания. Характерной точкой данной зависимости является точка нулевой относительной обобщенной расстройки, которая соответствует равенству средней частоты f_C зондирующего колебания резонансной частоте f_P резонансной структуры 7. В этом случае коэффициент модуляции m₁ огибающей сигнала биений первого двухчастотного колебания на разностной частоте Δf_P1, зарегистрированный на выходе перестраиваемого избирательного фильтра 9 первой разностной частоты, будет равен единице.

Все сказанное выше относится и к зависимости коэффициента m₂ модуляции огибающей биений второго двухчастотного колебания с разностной частотой Δf_P2. В этом случае коэффициент модуляции m₂ огибающей сигнала биений второго двухчастотного колебания с разностной частотой Δf_P2, зарегистрированный на выходе перестраиваемого избирательного фильтра 10 второй разностной частоты, будет равен единице.

Факт равенства коэффициентов модуляции m₁ и m₂ единице для огибающих сигналов биений первого и второго двухчастотных колебаний с разностными частотами Δf_P1 и Δf_P2, зарегистрированный на выходе перестраиваемых избирательных фильтров 9 и 10 первой и второй разностных частот, используется для принятия решения об определении резонансной частоты f_P=f_C.

Далее в соответствии с алгоритмом измерений в контроллере 5 управления и измерения характеристик резонансных структур вычисляют резонансную амплитуду U_p резонансной структуры 7 по выражению:

где χ=U₂Δf_P2/U₁Δf_P1, и добротность Q резонансной структуры 7 по выражению:

где i=1 или 2, f_p - резонансная частота, f_c - средняя частота, U_i - амплитуда огибающей зондирующего колебания, U_p - резонансная амплитуда, Q - добротность, m - коэффициент модуляции, Δf_pi - разностная частота.

Таким образом, измеряя на выходе перестраиваемых избирательных фильтров 9 и 10 первой и второй разностных частот:

- коэффициенты модуляции m₁ и m₂ огибающих сигналов биений первого и второго двухчастотного колебания, отраженного от или прошедшего через резонансную структуру 7, определяют резонансную частоту f_P=f_C при равенстве m₁=m₂=1;

- амплитуды огибающих первого U₁ и второго U₂ двухчастотных колебаний, отраженных от или прошедших через резонансную структуру 7, определяют резонансную амплитуду U_p при разностных частотах Δf_P1 и Δf_P2 и настройке на резонансную частоту f_C=f_P;

- далее вычисляют по полученным значениям добротность Q резонансной структуры 7.

Перестраиваемые избирательные фильтры 9 и 10 первой и второй разностных частот выполнены перестраиваемыми для выполнения условия по соответствию значений разностных частот Δf_P1 и Δf_P2, которые должны быть меньше или одна из них равна полосе пропускания резонансной структуры 7.

Устройство для осуществления способа измерения характеристик резонансных структур может быть реализовано на следующих элементах, рассчитанных на работу в СВЧ диапазоне 1-5 ГГц:

- перестраиваемый по частоте генератор 1 - генератор AD9914 фирмы Analog Devices;

- преобразователь 2 одночастотного колебания в многочастотное - N-канальный синтезатор частот ADF4156 фирмы Analog Devices;

- коммутатор 3 - управляемые циркуляторы, двойные Т-мосты или комбинированные устройства фирм Microwave Devices или ФГУП «Исток»;

- детектор 4 - детектор огибающий ADL5511 фирмы Analog Devices;

- контроллер 5 управления и измерения характеристик резонансных структур - микропроцессорный контроллер на базе чипов фирм Atmel, Microchip и т.д.;

- первая и вторая линии передачи 6 и 8 - коаксиальные кабели типа РК, полосковые линии или отрезки волноводов в соответствии с полосой резонансной структуры;

- резонансная структура 7 - устройство может быть реализовано с использованием различных типов структур, конкретный вид которых определяется в зависимости от решаемых задач и, в свою очередь, от вида проводимых измерений: на отражение или на пропускание. Это могут быть полосковые, волноводные, кабельные, плоскостные и объемные резонаторы и т.д.;

- перестраиваемый избирательный фильтр 9 и 10 первой и второй разностных частот - фирма Agilent;

- шина управления 11 - шины, реализующие передачу сигналов управления и данных по протоколам Modbus, RS и других.

При реализации устройства для осуществления способа измерения характеристик резонансных структур все указанные блоки генерации, приема и обработки сигналов могут быть выполнены на едином кристалле в интегральном исполнении.

По сравнению с существующими способами и устройствами (включая прототип) для измерения характеристик резонансных полосковых, волноводных, кабельных, плоскостных и объемных датчиков, которые характеризуются изменениями резонансной частоты, амплитуды и добротности в зависимости от изменения электрофизических параметров материалов, заполняющих их в ходе технологических процессов обработки, например, отверждения полимеров, предложенные способ и устройство с многочастотным зондированием двумя двухчастотными колебаниями резонаторного датчика и измерением коэффициентов модуляции и амплитуд огибающих биений указанных двухчастотных колебаний после отражения от или прохождения через него с дальнейшим вычислением резонансных характеристик не требует применения широкополосного приема, а позволяет обрабатывать сигнал на частотах биений компонент первой и второй пар двухчастотных сигналов, равных разностным частотам между ними, и выделенных перестраиваемыми избирательными фильтрами первой и второй разностных частот, что существенно сужает полосу пропускания приемной части устройства (с сотен МГц до сотен Гц, что определяется полосой пропускания перестраиваемых избирательных фильтров первой и второй разностных частот и шириной линии генерации перестраиваемого по частоте генератора) и соответственно повышает отношение сигнал/шум измерений. Кроме того, полоса пропускания перестраиваемых избирательных фильтров первой и второй разностных частот находится в области минимальных шумов детектора, что соответственно также повышает отношение сигнал/шум измерений.

При прямом детектировании собственные шумы детектора излучения превалируют над внешними и определяют пороговую мощность принимаемого сигнала. Выигрыш по отношению сигнал/шум можно вычислить с помощью следующего выражения:

где S(f) - спектральная плотность шума детектора. При этом выигрыш будет определяться в основном различной природой и уровнем шумов в различных частотных диапазонах, несмотря на некоторое увеличение требуемой полосы пропускания.

Для прямого детектирования диапазона {0, Δf_пп} в пик-детекторе - это токовые шумы с распределением вида 1/f и другие мощные шумы и флуктуации низкочастотной природы. Для диапазона {Δf_P2-Δf_пп,Δf_P2+Δf_пп} детектора огибающей - это дробовой шум малой интенсивности, где Δf_пп - полоса пропускания детектора, необходимая для регистрации амплитуды зондирующего колебания после его взаимодействия с резонансной структурой. Для измерений в СВЧ диапазоне выигрыш может составить 1-2 порядка.

При использовании перестраиваемых избирательных фильтров, настроенных на частоты огибающих и имеющих полосу пропускания в несколько сотен Гц, выигрыш по чувствительности может быть увеличен еще на 1-2 порядка. При этом выигрыш будет определяться разницей в полосе пропускания НЧ-фильтра детектора огибающей и перестраиваемых избирательных фильтров, настроенных на первую и вторую разностные частоты.

Кроме того, при реализации способа и устройства из алгоритмов управления его блоками и измерения характеристик резонансных структур, отраженных в Приложении 1 и Приложении 2, были исключены операции, связанные с перестройкой разностной частоты, что позволило упростить их структуру по сравнению с прототипом.

Испытания способа и опытного устройства измерения характеристик резонансных структур были проведены в лаборатории НОЦ «НИЦ прикладной электродинамики» Научно-исследовательского института прикладной электродинамики, фотоники и живых систем (НИИ ПРЭФЖС) КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева на резонансных структурах, выполненных на кабельных коаксиальных решетках Брэгга, изготовленных в НОЦ «Волоконно-оптические технологии» НИИ ПРЭФЖС КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева. Устройства откалиброваны на векторных анализаторах цепей R&S FSH8. Калибровка подтверждена на векторных анализаторах цепей R&S ZWA50 в лаборатории «Электрофизических измерений» Института радиоэлектроники и телекоммуникаций (ИРЭТ) КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева.

Испытания показали, что использование зондирования двумя двухчастотными колебаниями резонансных структур и попарная регистрация амплитуд и коэффициентов модуляции огибающих биений его компонент на выходе перестраиваемых избирательных фильтров разностных частот, позволило достичь отношения сигнал/шум измерений ~60 дБ.

Все это позволяет говорить о достижении решения поставленной технической задачи - повышении чувствительности измерения характеристик резонансных структур.

Техническое решение относится к технике резонансных радиотехнических измерений для вычисления и мониторинга комплексной диэлектрической проницаемости материалов. Сущность: способ для измерения характеристик резонансных структур заключается в том, что генерируют одночастотное зондирующее колебание, преобразуют его в многочастотное, подают его на вход и принимают с выхода резонансной структуры, перестраивают частоту зондирующего колебания в диапазоне измерений, соответствующем полосе частот резонансной структуры, регистрируют изменения его параметров, по которым определяют резонансную частоту f_p, амплитуду U_p и добротность Q резонансной структуры. Отличительной особенностью данного способа является то, что зондирующее колебание на входе резонансной структуры формируют как два двухчастотных колебания с двумя парами составляющих равной или попарно равной амплитуды соответственно на частотах f₁₁, f₁₂ и f₂₁, f₂₂ с одинаковой средней частотой f_C=(f₁₁+f₁₂)/2=(f₂₁+f₂₂)/2 и разными разностными частотами Δf_P1=f₁₁-f₁₂ и Δf_P2=f₂₁-f₂₂, меньших или одна из которых равна полосе пропускания резонансной структуры, перестраивают среднюю частоту f_C, причем в ходе перестройки разностные частоты Δf_P1 и Δf_P2 оставляют неизменными, регистрируют изменение средней частоты зондирующего колебания f_C и параллельно измеряют коэффициент модуляции m₁ и m₂ огибающих сигнала биений между составляющими 1-го и 2-го двухчастотных колебаний на выходе резонансной структуры. По достижении коэффициентом модуляции значения m₁=m₂=1 измеряют резонансную частоту f_P как равную значению средней частоты f_C в данный момент времени и измеряют соответствующие ему амплитуды огибающих сигнала биений между составляющими 1-го и 2-го двухчастотных колебаний U₁ и U₂ на выходе резонансной структуры, далее вычисляют резонансную амплитуду U_P резонансной структуры по выражению $$U_p=\sqrt{\left({\chi }^2{U}_1^2-U_2^2\right)/\left({\chi }^2-1\right)}$$ , где χ=U₂Δf_P2/U₁Δf_P1, и добротность Q резонансной структуры - $$Q=\frac{f_p}{\Delta f_{Pi}}\sqrt{{\left(U_p/U_i\right)}^2-1}$$ , где i равно 1 или 2. В устройство для измерения характеристик резонансных структур, содержащее последовательно соединенные перестраиваемый по частоте генератор, преобразователь одночастотного колебания в многочастотное, коммутатор и детектор, а также контроллер управления и измерения характеристик резонансных структур, последовательно соединенные с коммутатором первую линию передачи, резонансную структуру и вторую линию передачи, где второй выход коммутатора подключен к входу первой линии передачи, а второй вход коммутатора подключен к выходу второй линии передачи, дополнительно введены перестраиваемые избирательные фильтры соответственно первой и второй разностных частот, подключенные входами параллельно к выходу детектора, выходами соответственно к первому и второму входам контроллера управления и измерения характеристик резонансных структур, а перестраиваемый по частоте генератор, преобразователь одночастотного колебания в многочастотное, коммутатор, контроллер управления и измерения характеристик резонансных структур и перестраиваемые избирательные фильтры соответственно первой и второй разностных частот имеют входы/выходы управления, объединенные в шину управления. Технический результат: повышение чувствительности и точности измерений. 2 н.п. ф-лы, 3 ил., 2 прил.

1. Способ для измерения характеристик резонансных структур, заключающийся в том, что генерируют одночастотное зондирующее колебание, преобразуют его во многочастотное, подают его на вход и принимают с выхода резонансной структуры, перестраивают частоту зондирующего колебания в диапазоне измерений, соответствующем полосе частот резонансной структуры, регистрируют изменения его параметров, по которым определяют резонансную частоту f_p, резонансную амплитуду U_p и добротность Q резонансной структуры, отличающийся тем, что зондирующее колебание на входе резонансной структуры формируют как два двухчастотных колебания с двумя парами составляющих равной или попарно равной амплитуды соответственно на частотах f₁₁, f₁₂ и f₂₁, f₂₂ с одинаковой средней частотой f_C=(f₁₁+f₁₂)/2=(f₂₁+f₂₂)/2 и разными разностными частотами Δf_P1=f₁₁-f₁₂ и Δf_P2=f₂₁-f₂₂, меньших или одна из которых равна полосе пропускания резонансной структуры, перестраивают среднюю частоту f_C, причем в ходе перестройки разностные частоты Δf_P1 и Δf_P2 оставляют неизменными, регистрируют изменение средней частоты зондирующего колебания f_C и параллельно измеряют коэффициент модуляции m₁ и m₂ огибающих сигнала биений между составляющими первого и второго двухчастотных колебаний на выходе резонансной структуры, по достижении коэффициентом модуляции значения m₁=m₂=1 измеряют резонансную частоту f_P резонансной структуры как равную значению средней частоты f_C в данный момент времени и измеряют соответствующие ему амплитуды огибающих сигнала биений между составляющими первого и второго двухчастотных колебаний U₁ и U₂ на выходе резонансной структуры, далее вычисляют резонансную амплитуду Up резонансной структуры по выражению:
$$U_p=\sqrt{\left({\chi }^2{U}_1^2-U_2^2\right)/\left({\chi }^2+1\right)}$$ ,
где χ=U₂Δf_P2/U₁Δf_P1, и добротность Q резонансной структуры по выражению:
$$Q=\frac{f_p}{\Delta f_{Pi}}\sqrt{{\left(U_p/U_i\right)}^2-1}$$ ,
где i=1 или 2,
- f_p - резонансная частота;
- f_c - средняя частота;
- U_i - амплитуда огибающей зондирующего колебания;
- U_p - резонансная амплитуда;
- Q - добротность;
- m - коэффициент модуляции;
- Δf_pi - разностная частота.

2. Устройство для измерения характеристик резонансных структур, содержащее последовательно соединенные перестраиваемый по частоте генератор, преобразователь одночастотного колебания в многочастотное, коммутатор и детектор, а также содержащее контроллер управления и измерения характеристик резонансных структур, последовательно соединенные с коммутатором первую линию передачи, резонансную структуру и вторую линию передачи, где второй выход коммутатора подключен к входу первой линии передачи, а второй вход коммутатора подключен к выходу второй линии передачи, отличающееся тем, что преобразователь одночастотного колебания в многочастотное выполнен как формирователь двух двухчастотных колебаний с равными или попарно равными амплитудами составляющих, с одинаковой средней частотой и разными разностными частотами и дополнительно введены перестраиваемые избирательные фильтры соответственно первой и второй разностных частот, подключенные входами параллельно к выходу детектора, выходами соответственно к первому и второму входам контроллера управления и измерения характеристик резонансных структур, а перестраиваемый по частоте генератор, преобразователь одночастотного колебания в многочастотное, коммутатор, контроллер управления и измерения характеристик резонансных структур и перестраиваемые избирательные фильтры соответственно первой и второй разностных частот имеют входы/выходы управления, объединенные в шину управления.