Электронный измеритель разности фаз сверхвысокочастотных колебаний Советский патент 1983 года по МПК G01R25/02 

00 W

CD

со Изобретение относится к технике сверхвыаоких частот и может быть использовано для измерения сдвига фаз между гармоническими сигналами и записи фазочастотных характеристик четырехполюсников. Наиболее близким к предлагаемому является электронный измеритель разности фаз сверхвысокочастотных колебаний, содержащий помещенные в вакуумную камеру электронную пушку, модулирующую секцию, секцию взаимодействия и коллектор 31лектронов, фокуси рующую систему, блок питания, подключенный к электронной пушке, аттенюатор, фазосдвигающую линию, вход которой соединен с аттенюатором, а выход - с секцией взаимодействия, при этом вход аттенюатор а является первым входом электронного измери.теля, а вход модулирующей секции его вторым входом 1J . Недостаток электронногоиндикатора фазы сверхвысоких частот заключается в низкой точности измерений из-за частотной зависимости коэффи,циента усиления, сильной амплитуднофазовой конверсии и низкой точности индикатора, ВЕлполненного в виде измерителя мощности. Цель изобретения - повышение точ ности измерений. Поставленная цель достигается тем что в электронном измерителе разности фаз сверхвысокочастотных колебаний, содержащем помещенные в вакуумную камеру электронную пушку, модули рующую секцию и колллектор электронов, фокусирующую систему, блок питания, подключенный к электронной пушке, индикатор, фазосдвигающую ли нию и аттенюатор, вход которого является первым входом электронного измерителя, в вакуумной камере меж, ду модулирукадей секцией и коллектором электронов дополнительно установлены первый анализатор энергии электронов, дополнительная модулиру ющая секция и второй анализатор энер гии электронов, причем первый и вто рой анализаторы энергии электронов коллектор, элек.ронов выполнены в ви де трех соосных плоских электродов, при этом средние плоские электроды Первого и второго анализаторов энергии электронов и коллектора электронов подключены к блоку питания через соответствующие введенные источ ники воль тдобавки, а третий плоский электрод коллектора электронов соединен с блоком питания через индика тор, при этом аттенюатор соединен с модулирующей секцией, а фазосдвигающая линия, вход которой является вторым входом измерителя - с дополнительной модулирующей секцией. На фиг. 1 представлена структурная схема электронного измерителя разности фаз сверхвысокочастотных колебаний; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу. Измеритель разности фаз содержит электронную пушку 1, фокусирующую систему 2, модулирующую секцию 3, коллектор 4 электронов, блок 5 питания, связанный с электронной пушкой 1 , индикатор 6, аттенюатор 7, вход которого является первым входом |измерителя, фазосдвигающую линию 8, вторую модулирующую секцию 9, первый 10и второй 11 анализаторы энергий электронов, причем анализатор 10 установлен между первой- 3 и второй 9 модулирующими секциями, а анализатор 11- между второй модулирующей секцией 9 и 1 оллектором 4 электронов, при этом индикатор 6 включен между блоком 5 питания и коллектором 4 электронов, аттенюатор 7 соединен с первой модулирующей секцией 3, фазосдвигающая линия 8 соединена с второй модулирующей секцией 9, анализаторы 10 и 11 энергий связаны с блоком 5 питания через источник 12 вольтдобавки, а вход фазосдвигающей линии 8 является вторым входом измерителя разности фаз. Электронная пушка 1, модулирующие секции 3 и 9, анализаторы 10 и 11 энергий и коллектор 4 электронов располагаются соосно и помещаются в вакуумную камеру 13 с давлением мм рт.ст.. Коллектор 4 электронов связан с блоком 5 питания через индикатор 6 и источник 14 вольтдобавки. Фокусирующая система 2 предназначена для фокусировки формируемого пушкой 1 электронного пучк& и устранения его расхождения на пути до коллектора 4 электронов. Она представляет собой катушку с током, расположенную относительно элементов, входящих в вакуумную камеру. Модулирующие секции 3 и 9 служат для модуляции скорости электронного потока сверхвысокочастотными сигналами, подаваемыми соответственно на первый и второй входы устройства, и выполнены в виде отрезков спиралей. Можно использовать также замедляющие системы других типов, плоские зазоры, входящие в состав резонаторов, или .просто волноводы с отверстиями в ши|рокой стенке для пропускания электронного луча. Анализаторы 10 и 11 отсекают электроны, энергия которых после прохождения модулирующих секций 3 и 9 уменьшилась по сравнению с первоначальной энергией электронного пучка, и пропускает на коллектор 4 электроны с энергиями, превышающими их первоначальную энергию. Они представляют собой три соосных плоских электрода с тормозящим полем. Первый и третий электроды анализаторов 10

и 11 энергий выполняют роль экранов а на средний подается тормозждее напряжение, необходимое для полного запирания немодулированного электронного пучка. Коллектор 4 электронов также состоит из трех плоских расположенных соосно электродов, первый из которых вьтолняет роль экрана, а на второй подается напряжение от источника 14 вольтдобавки, равное примерно 50 В, для отражения вторичных электронов от третьего электрода, на который подает электронный луч. Первые два электрода имют отверстия для пропускания электронного пучка. Электроды анализаторов 10 и 11 и коллектора 4 электронов, имеющие отверстия для пропускания электронного пучка, одновременно ограничивают пучок по радиусу и таким образом выполняют функции коллиматора, удаляя из пучка электроны с поперечньлли составляющими скорост Для уменьшения провисания потенциала в отверстиях этих электродов. их следует закрыть сетками. Блок 5 питания формирует напряжения, необходимые для питания электронной пушки 1, анализаторов 10 и 11, коллектора 4 электронов. Поскольку электронный пучок имеет небольшой (с амплитудой -0,1 эВ) не связанный с пульсациями ускоряющего напряжения энергетический разброс, то тормозящее напряжение, подводимое к анализ торам 10 и 11 энергий, должно по абсолютной величине несколько превышать ускоряющее напряжение электронной пушки 1. Поэтому напряжение, подводимое к анализаторам 10 и 11, создается путем последовательного сложения ускоряквдего напряжения с напряжением /«/I В от источника 12 вольтдобавки.

В роли индикатора в зависимости от требований, предъявляемых к устройству, используются обычный стрелочный измеритель тока, осциллограф самописец и др.

Аттенюатор 7 служит для уменьшения мощности исследуемого сигнала, подаваемого на первый вход устройства, по отношению к мощности сигнала, на втором входе устройства с тем, чтобы при измерениях электро- , ны, получившие в модулирующей секции модуляции приращения энергии, но попавшие в модулирующие секции 9 в тормозящее поле СВЧ колебаний, замедлялись до энергий, меньших первоначальной энергии пучка.

Фазосдвигакнцая ли.ния 8 предназначена для создания постоянного сдвига фаз между исследуемы1«ш сигналами такого, чтобы при подаче на входы устройства синфазных сигналов сдвиг фаз между переменными составляющими скростей V-, и Vj составлял JT. Она

предстс вляет Собой заполненную воздухом коаксиальную линию.

Электронный измеритель разности фаз сверхвысокочастотных колебаний работает следунмцим образсмл.

Моноэнергетический пучок электронов с током JQ и энергией О , сформированный электронной пушкой 1, проходит сначала через модулирующую секцию модуляции, модулируется по

0 скорости сверхвысокочастотным сигналом, поступающим на первый вход устройства, и попадает в анализатор lO, который задерживает замедленные электроны и пропускает ускоренные так, что ток на выходе анализатора

5 10 имеет вид прямоугольных имп ульсов с длительностью, равной половине периода сверхвысокочастотных колебаний, и амплитудой, равной Эд. Далее импульсный ток пучка поступает

0 в секцию 9 модуляции, на которую подается второй исследуемый сигнал. Часть электронов импульса, определяемая величиной фазового сдвига между исследуемыми сигналами, попадает

5 в тормозящее поле сверхвысокочастотных колебаний, замедляется и задерживается анализатором 11.. Величина разности фаз определяется по величи не измеренного индикатором 6 сред0него тока Эк на коллекторе 4 электронов.

Для определения функциональной зависимости между Э, и f рассмотрим работу устройства более подробно. В отсутствие СВЧ сигналов на входах устройства и напряжений на анализаторах 10 и 11 энергий электронов пучок электронов движется в поле фокусирующей системы 2 и за малым исключением рассеянных электронов полностью проходит на коллектор 4 электронов. Ток пучка Эо измеряется индикатором 6. При подаче тормозsan&ro напряжения электронный пучок полностью запирается анализаторами 10 и 11.

При наличии исследуемого сигнала на первом входе измерителя электронный пучок, взаимодействуя в. модулирукнцей секции 3 с электрическим полем сверхвысокочастотных колебаний, приобретает .на выходе из нее переменную составляющую продольной скЬрости V }n{tt t +Ч,) (фиг.2с|). Электроны, попавшие в ускоряющий полупериод СВЧ колебаний и получившие после прохождения модулирующей секции 3 приращение энергии, проходят через тормозящее поле анализатора 10 энергий электронбв и равное ему поле в анализаторе 11 и попадают на коллектор 4 электронов. Ток на коллекторе 4 представляет собой последовательность прямоугольных импульсов (фиг. 26). Незначительное отклонение формы импульсов от прямоугольной связано с наличием энергети ческого разброса частиц пучка. С поступлением сверхвысокочастотных колебаний на второй вход измерителя, параметры тока на коллекторе 4 электронов, становятся зависимыми от величины разности фаз исследуемых сигналов.При выполнении условия V2ml. где амплитуда переменной составляющей скорости /2 + 2) которую приобрел бы пучок во второй модулирующей секции 9 в отсутствии напряжения на анализаторе 10 и сверхвысокочастотного сигнала на первом входе измерителя (фиг. 2в), чать электронов, составляквдих ток импульс / на выходе . анализатора 1.0 (фиг. «26) , попадает модулирующую секцию 9 в тормозящий полупериод электрического поля, замедляется до энергий, меньших перво начальной энергии пучка, и задержив .ется анализатором 11. В результате длительность импульсов тока на кол. лекторе 4 электронов укорачивается на величину /W-I, где (фиг. 21). Выполнение условия |U2tTil при измерениях обеспечивается ослаблением порядка нескольких децибелл, вносимым аттенюатором 7. Средний за период ток на коллекторе 21г o (-V в зависимости от знака Ч,,, (фиг. 28, иа,е).21 Вследствие конечного времени про лета электронов пучка разность фаз между исследуемыми сигналами Ч отли чается от разности фаз между переменными составляющими скоростей на некоторую неличину Чр {f-(j .и - W -V и; 21 Ч) где TO - время пролета электроном пучка расстояния между началом моду лирующей .секции 3 и началом модулирующей секции 9. При измерениях угол fg компенсируется фазосдвигающей линией 8 так, чтобы (фиг. 2) Длина линии Р определяется из условия - г T(,u;-j( -U) I , где с - скорость света. Критерием точного удовлетворения условия является равенство нулю тока 5, при подаче на оба входа устройства сигналов от одного источника сверхвысокочастотных колебаний для всех частот измеряемых сигналов. Подставляя выражение для / в выражение для 3ц, окончательно получаем (фиг. 23) . Таким образом, измери в ток на коллекторе 4 электронов ки зная полный ток пучка JQ, можно определять разность фаз между исследуемы 1и сигналами в диапазоне углов 0-180°. Из последней формулы следует, что шкала индикатора 6 может- быть проградуирована непосредственно в величинах фазового угла, причем она будет ли. нейной. I Црк измерениях разности фаз (#1редлагаемым устройством, принцип работы которого основан на анализе энергий электронов и последующих измерений среднего тока 5, полностью исключаются свойственные измерениям по усиливаемой СВЧ мощности, применяемым в прототице, погрешности, обусловленные нестабильностью коэффициента, усиления и неравномерностью коэффициента передачи четырехполюсников в диапазоне частот. Точность измерений существенно повьпиается также за счет более высокой точности измерителей тока. Так, при использовании в качестве, индикатора 6 измерителя тока класса точности 0,5 измерение часто встречающихся углов от О до 30° производится с точностью /vO,l . Кроме того, значительно повьЛиается чувствительность измерителя. Оценка, выполненная по формуле для Ч показывает, что при изменении угла f , например, от 0,5 до 1° показания индикатора 6 изменяются в два раза.

ЭЛЕКТРОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ РАЗНОСТИ ФАЗ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЙ, содержащий помещенные в вакуумную камеру эле.ктронную пушку, модулирукнцую секцию и коллектор электронов, фокусирующую систему, блок питания, подключенный к электронной пушке, индикатор, фазосдвигающую линию и аттенюатор, вход которого является первым.входом электронного измерителя ,.отличаю щийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в вакуумной камере между модулирующей секцией и коллектором электронов дополнительно установлены первый анализатор энергии электронов, дополнительная, модулирующая секция и второй анализатор энергии электронов, причем первый и второй анализаторы энергии электронов и коллектор элеРтронов выполнены в виде трех соосных плоских электродов, при этом средние плоские электроды первого и второго аналиэаторов энергии электронов и коллектора электронов подключены к блоку питания через соответствующие введенные источники вольтдобавки, а тре.тйй плоский электрод коллектора электронов соединен с блоком питания через индика(Л тор, при этом аттенюатор соединён с модулирунндей секцией, а фазосдвигас ющая линия, вход которой является вторым входом измерителя - с дополнительной модулирующей секцией.

Ж

Ж lf Фие.г

-1