Анализатор стоячей волны Советский патент 1988 года по МПК G01R27/06 

4i

О

СО

Изобретение относится к радиоизме- рктельной технике и может быть ис Пользовано для измерения распределения интенсивности электрического поля в СВЧ-трактах, определения уровня согласования, КСВ и полных сопротивлений.

Цель изобретения - повьшение точности измерения коэффициента стоячей волны.

На чертеже представлена структурная электрическая блокгсхема анализатора стоячей волны.

Анализатор стоячей волны содержит СВЧ-генератор 1, измерительную 2 и исследуемую 3 линии, управляющий блок в виде блока 4 обработки и программного управления и блока 5 ввода- вывода информации, лазер 6, чет- вертьволновую пластинку 7, первый расщепитель 8 оптического пучка, блок 9 сканирования оптическим пучком, второй расщепитель 10 оптического пучка, отражающее зеркало 11, источник 12 питания, первую систему 13 коллимиру- ющих линз, удлинитель 14 оптического пути, вторую систему 15 коллимирующих линз, первый 16 и втрой 17 фотоприемники, вычитающий 18 и пороговый 19 блоки и блок 20 регистрации сдвига интерфер енционной картины.

Анализатор может работать в двух режимах: калибровки и измррения.

Назначение, режима калибровки - установка отражающего зеркала 11 параллельно электродам измерительной линии 2 на расстоянии, равном 1

9k(N.+ т), где Л - длина волны СВЧ- сигнала, и коррекция погрещностей, связанных с неидеальностью отражающей поверхности зеркала и электродов измерительной линии.

В режиме калибровки к измерительной линии вместо исследуемой подклю

чается эталонная линия. Распределение высокочастотного напряжения вйоль измерительной линии при подключении эталонной считается известным. Лазер 6 генер1 рует высокостабильный сигнал ,в оптическом диапазоне частот с линейной поляризацией. После прохождения четвертьволновой пластинки 7 луч света имеет круговую поляризацию.

Далее, гфоходя через первый расще- пите.пь 8, световой пучок разделяется на два пучка с взаимно ортогональной поляризацией. Световой пучок.с первого расщепителя 8 поступает на блок 9 сканирования, проходит через второй расщепитель 10 и измерительную линию 2, выполненную в микрополосковом исполнении, диэлектриком которой является среда, обладающая квадратичным электрооптическим эффектом (например, кристалл группы перовскитов).

Проходя через электрооптический кристалл, на котором выполнена измерительная линия 2, луч света взаимодействует с электрическим полем измерительной линии в данном ее сечении и приобретает фазовый сдвиг, определяемый выражением

4- K,msin2 ,

где К, - константа преобразователя; и - напряжение на. линии 2 в данном сечении.

Далее луч света поступает на отражающее зеркало 11 и возвращается в ту же точку измерительной линии 2. Если отражающее зеркало 11 расположено от измерительной линии 2 на расстоянии (N 4- -), где Л - длина о

волны СВЧ сигнала, а ,1,2,3,..,, то суммарный фазовьй сдвиг за два прохода кристалла измерительной линии светом (туда и обратно) равен

г

5

0

,.2ТГ.

,2

,U2sinZ Y t+K,U2sinM- -t+|) . ,

K,U2 (1)

Таким образом, только при установке зеркала на расстоянии (N+-) выо

шедший из диэлектрика измерительной линии 2 луч имеет сдвиг фазы необыкновенного луча, пропорциональный квадрату амплитуды СВЧ-напряжения в данном сечении линии и не зависящий от времени. При всех остальных положениях зеркала фазовая модуляция имеет временную зависимость. В режиме калибровки, перемещая отражающее зеркало 11 относительно измерительной линии 2, добиваются исчезновения СВЧ- модуляции отраженного луча. В момент исчезновения паразитной СВЧ-модуляции расстояние от отражающего зеркала 11 до измерительной линии 2 равно 1

Л(Н+|).

Откалибровав предварительно пере- мещагаций отражающее зеркало 11 механизм, можно грубо измерять частоту

СВЧ-сигнала. Кроме фазового сдвига, пропорционального квадрату напряжения СВЧ-сигнала в данном сечении линии 2, световой луч приобретает суммарный постоянный фазовый сдвигц 90 для получения круговой поляризации при нулевом СВЧ-напряжении за счет выбора рабочей точки при помощи источника 12 питания (смещения). Это необходимо для уменьшения паразитной амплитудной модуляции в выходном сигнале устройства.

о

Сдвиг фазы на 90 можно получить не только за счет напряжения, прило- женного к электродам измерительной линии 2, но и за счет установки пленочного поляризатора между измерительной линией 2 и отражающим зеркалом 11.

После двойного прохождения кристалла измерительной линии 2 световой пучок снова поступает на второй расщепитель 10, который отделяет из светового пучка ортогональную компонен- ту, получившую суммарный фазовый сдвиг q , и направляет ее на первый оптический вход блока 20 регистрации сдвига интерференционной картины 20 - nepBjTo систему 13 коллимирующик линз, формирующих плоский когерентный оптический пучок, поступанядий на фотоприемники 16 и 17. .

с выхода первого расщепителя 8, получивщий набег фазы в удлинителе 14 оптического пути, поступает на второй оптический вход блока 20 регистрации сдвига интерференционной картины - вторую систему 15 коллимирую- щих линз, преобразуется ею в плоский когерентный оптический пучок и также поступает на фотоприемники 16 и 17. В плоскости фотоприемников таким образом образуется интерференционная .картина в виде интерференционных по- лос. Положение светлых и темньрс полос интерференционной картины.зависит от разности сдвига фаз световых колебаний в опорном световом пучке, поступающем с первого расщепителя 8 через удлинитель 14 оптического пути и вторую систему 15 коллимирующих линз, и в измерительном световом пучке, дважды прошедшем измерительную линию 2, второй расщепитель 10 и первую систе- му 13 коллимирующих линз.

Как показано вьше, фазовый сдвиг световых колебаний в измерительном световом пучке зависит от квадрата

напряжения в том сечении измерительной линии, через которое он дважды проходит. При изменении этого напряжения изменяется сдвиг фаз во втором пучке, а значит сдвигается интерференционная картина. Сдвиг интерференционной картины фиксируется фотоприемниками 16 и 17.

Если расстояние между фотоприемниками 16 и 17 выбрано равным половине периода интерференционной картины, то один из них регистрирует максимум интерференционной картины, а другой минимум. Токи фотоприемников 16 и 17 поступают на вход вычитающего блока 18, который обеспечивает при выбранном расстоянии между фотоприемниками подавление фоновой засветки фотоприемников и выделение тока, пропорционально перепаду интенсивностей максимумов и минимумов интерференционных полос при сдвиге интерференционной картины.

Пороговый блок 19 имеет фиксированный порог, определяемый щумами фотоприемников, и формирует на выходе прямоугольные импульсы, каждый из которых соответствует сдвигу интерференционной картины на один период. Выход порогового блока 19 является выходом блока 20 регистрации сдвига интерференционной картины. Блок 4 обработки и программного управления подсчитывает число импульсов с выхо- да порогового блока 19 за фиксированные интервалы времени, что позволяет определить сдвиг интерференционной картины как функцию сдвига фазы световых колебаний в измерительном пучке, т.е. в конечно счете как функцию напряжения в том сечении измерительной линии 2, через которое он проходит.

После установки отражающего зеркала 11 на требуемом расстоянии относительно электродов измерительной линии 2 с второго выхода блока 4 обработки и программного управления на электрический вход блока 9 сканирования по,- дается управляющее напряжение, изменяющееся по линейному закону. В результате этого измерительный оптический пучок с оптического выхода блока 9 сканирования начинает сканирование вдоль электродов, нанесенных на электрооптический кристалл.измерительной линии 2, Это приводит к тому, что фа- зовьй сдвиг, получаемьй измерительным

оптическим пучком, поступающим HS фотоприемники 16 и 17 чррез первую систему 13 коллимирующих линз, про- порционален квадрату,напряжения в том сечении измерительной линии, через которое в данный момент проходит луч.

Из-за изменения фазового сдвига измерительного пучка при сканировани его вдоль измерительной линии 2 инг терференционная картина в плоскости фотоприемников 16 и 17 сдвигается относительно картины, которая получается, когда луч проходит в начальном сечении линии. Сдвиг интерференцион ной картины относительно ее положения,которое получается, когда луч проходит через начальное сечение ли

ю 014036

рования измерительного луча. По результатам этого сравнения, в память блока А обработки и программного уп- равления заносятся для ряда характерных сечений измерительной линии 2 поправочные коэффициенты, которые учитывают неоднородности электрооптического кристалла измерительной линии 2, отражающего зеркала 11 и других возможных источников погрешности измерения распределения напряженности поля в измерительной линии.

В режиме измерения к измерительной линии 2 подключается исследуемая линия 3.

Процесс измерения распределения напряжения вдоль измерительной линии не отличается от аналогичного процес15

Изобретение относится к области радиоизмерительной техники. Целью изобретения является повышение точности измерения коэф. стоячей волны. Устройство содержит СВЧ-генератор 1, измерительную линию 2, исследуемую линию 3, блок 4 обработки и программного управления, блок 5 ввода-вывода информации. В устр-во введены лазер 6, четвертьволновая пластинка 7, расщепители 8 и 10 оптического пучка, блок 9 сканирования оптическим пучком, отражающее зеркало 11, источник 12 питания, системы 13 и 15 коллимирую- щих линз, удлинитель 14 оптического пути, фотоприеьшики 16 и 17, вычитающий блок 18, пороговый блок 19. Устр- во может работать в двух режимах: калибровки и измерения. В режиме ка-, либровки .к измерительной линии подключается эталонная линия. Распределение высокочастотного напряжения вдоль измерительной линии 2 при подключении эталонной считается известным. В режиме измерения к измерительной линии 2 подключается исследуемая линия 3. Процесс измерения распределения напряжения вдоль измерительной линии не отличается от аналогичного процесса в.режиме калибровки. 1 з.п. ф-лы, 1 ил. (Л

НИИ, фиксируется с помощью фотоприем- 20 са в режиме калибровки. При сканиро25

30

НИКОВ 16 и 17, вычитающего 18 и порогового 19 блоков и блока 4 обработки и программного управления, как описано выше.

Используя полученную информацию, которая пропорциональна приращению квадрата интенсивности СВЧ-поля в , данном сечении измерительной линии по сравнению с соседним, блок 4 обработки и программного управления по известным алгоритмам фактически восстанавливает функцию квадрата распределения интенсивности СВЧгполя по .модулю ее первой производной в конечных приращениях. Алгоритм обработки таким gg образом должен восстанавливать знак приращений на основании информации о форме первой производной этой функции.

Смена знака приращений происходит, когда первая производная распределения интенсивности СВЧ-сигнала проходит минимум, что равносильно минимальному числу подсчитанных ш- пульсов за интервал усреднения.

С помощью блока 4 обработки программного управления или автоматически возможно изменение скорости сканиро-. вания, а также компенсация нелинейности скорости перемещения лазерного луча вдоль измерительной линии.

В режиме калибровки Е измерительной линии 2 вместо исследуемой линии 3 подключена эталонная линия, для которой известно распределение СВЧ-нап ряжения вдоль измерительной линии 2, В блоке .4 обработки и программного управления производится сравнение теоретического распределения с реальным, полученным по результатам сканивании измерительного луча вдоль измерительной линии 2 с помощью блока 9 сканирования измерительный световой пучок получает фазовьш сдвиг, пропорциональный квадрату напряжения в каждом сечении измерительной линии 2.

Изменение фазового сдвига измерительного пучка в соответствии с распределением электрического поля в линии приводит к смене положений светлых и темных полос интерференции, возникающей между опорным и измери- тельньим пучками в плоскости фотоприемников 16 и 17. Сдвиг картины фиксируется блоком 4 обработки и программного управления, которьй восстанавливает распределение напряжения и производит по нему определение коэффициента стоячей волны в измерительной линии 2.

Блок 4 отработки и программного управления совместно с блоком ввода- вывода информации может индицировать данные измерения в виде параметров . СВЧ-поля в цифровой форме и распределение интенсивности поля в графической форме.

Формул-а изобретения

Т. Анализатор стоячей волны,содержащий последовательно соединенные генератор СВЧ-колебаний измерительную и исследуемую линии, управляющий блок отличающийся тем, что, с целью повьшения точности измерения gg коэффициента стоячей волны, измерительная линия выполнена микрополоско- вой, подложка которой выполнена из электрооп ического диэлектрика с уп- равляющгши электродами, к которым

40

50

5

0

g

вании измерительного луча вдоль измерительной линии 2 с помощью блока 9 сканирования измерительный световой пучок получает фазовьш сдвиг, пропорциональный квадрату напряжения в каждом сечении измерительной линии 2.

Изменение фазового сдвига измерительного пучка в соответствии с распределением электрического поля в линии приводит к смене положений светлых и темных полос интерференции, возникающей между опорным и измери- тельньим пучками в плоскости фотоприемников 16 и 17. Сдвиг картины фиксируется блоком 4 обработки и программного управления, которьй восстанавливает распределение напряжения и производит по нему определение коэффициента стоячей волны в измерительной линии 2.

Блок 4 отработки и программного управления совместно с блоком ввода- вывода информации может индицировать данные измерения в виде параметров . СВЧ-поля в цифровой форме и распределение интенсивности поля в графической форме.

Формул-а изобретения

Т. Анализатор стоячей волны,содер. жащий последовательно соединенные генератор СВЧ-колебаний измерительную и исследуемую линии, управляющий блок, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности измерения g коэффициента стоячей волны, измерительная линия выполнена микрополоско- вой, подложка которой выполнена из электрооп ического диэлектрика с уп- равляющгши электродами, к которым

0

0

подсоединен выход введенного источника питания, плоскость подложки измерительной линии перпендикулярна плоскости отражающего экрана, введены лазер, оптически соединенный через четвертьволновую пластинку с первым расщепителем оптического пучка, первый выход которого оптически соединен с оптическим входом блока сканирования, а второй выход через удлинитель оптического пути оптически соединен с первым входом блока регистрации сдвига интерференционной картины, оптический выход блока сканирования оптически соединен с вторым расщепителем оптического пучюа, первый выход которого через подложку измерительной., линии оптически соединен с введенным отражающим зеркалом, плоскость котог- рого параллельна управляющим электродам, второй выход второго расщепителя оптического пучка оптически соединен с вторым входом блока регистрации сдвига интерференционной картины, выход которого присоединен к входу управляющего блока, выход которого соединен с электрическим входом блока сканирования, расстояние измерительной линии до отражающего зеркала,выбрано равным (N + 1/8) j где ТУ - длина СВЧ-волны, N - любое целое положит, тельное число.

2. Анализатор поп.1, чающийся тем, что блок регистрации сдвига интерференционной картины выполнен в виде двух систем коллимирукнцих линз, оптически связанных с первым и вторым входами блока регистрации сдвига интерференционной картины соответственно, выход каждой из которых оптически соединен с входами первого и второго фотоприемников, расположенных иа расстоянии друг от друга, равном половине периода интерференционной картины, выход которых соединен с первым и вторьм входлми блока вычитания, выход которого присоединен к входу порогового блока, выход которого является выходом блока регистрации интерференционной картины.