СВЧ-измерительная ячейка Советский патент 1991 года по МПК G01N22/00 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может использоваться в установках для исследования параметров диэлектриков.

Известна измерительная ячейка, входящая в установку для измерения диэлектрических параметров газов на частотах в диапазоне 9 и 36 ГГц.

Выбор точной кратности частот объясняется тем обстоятельством, что в этом случае достигается наибольшая точность измерений.

Указанная измерительная ячейка содержит двухмодовый резонатор Фабри-Пе- ро, в котором возбуждается тип колебаний TEMooq (q 6) на нижней частоте (9 ГГц) и тип колебаний TEMiiq (q 27) на верхней частоте (36 ГГц).

Установлено, что при увеличении кратности частот (п 4) собственная частотная дисперсия двухмодового резонатора увеличивается до 50-100 МГц, а также возрастает

количество высших типов колебаний. При п 4 с учетом снятия поляризационного вырождения имеется четыре высших типа колебаний, а при п 6 это количество возрастает до шести и т.д. Эти обстоятельства усложняют селекцию необходимого типа -чОлебаний. Следует отметить, что достаточно большие размеры двухмодового резонатора (диаметр 200 и высота 200 мм) усложняют термостаткрование измерительной ячейки.

Наиболее близкой к предлагаемому является ячейка, отличительной особенностью которой является полное совмещение цилиндрического закрытого СВЧ-резонато- ра и резонатора Фабри-Перо. При этом СВЧ-измерительная ячейка на нижней частоте возбуждается как цилиндрический закрытый СВЧ-резонатор, а на верхней частоте - как резонатор Фабри-Перо.

Основным недостатком указанной СВЧ- измерительной ячейки является значительо

N5 КЭ О СО

мая зависимость собственной частотной дисперсии от частоты настройки, что приводит к снижению точности измерения.

Требуется обеспечить работу соответствующего СВЧ-смесителя в широком диапазоне частот в соответствии с величиной собственной частотной дисперсии. Очевидно, что в этом случае потери преобразования СВЧ-смесителя будут неодинаковыми в диапазоне изменения частотной дисперсии двухмодового резонатора. Это приведет к увеличению погрешности измерения при возрастании величины частотной дисперсии.

Оценим зависимость собственной частотной дисперсии дяухмодового резонатора при условии возбуждения в нем типов колебаний в соответствии с описанием СВЧ-измерительной ячейки, взятой в качестве прототипа.

В СВЧ-измерительной ячейке используются типы колебаний Нои на нижней частоте (8,1-8,4 ГГц)иТЕМоод на верхней частоте (53-78 ГГц).

Известны выражения для расчета резонансных частот соответствующих резонаторов: закрытый цилиндрический резонатор (частота fH)

- с v7 A n m Ч2

2л

R

+()2

и

Sl

/Am,

R

1

(рту

Ьг) Ч)

О)

где с - скорость света в вакууме; R - радиус цилиндра; L - длина цилиндра; п, т, р - азимутальный, радиальный и продольный индексы колебания; АПт-пл-й корень производной функции Бесселя I рода порядка п; (In (хАпт) 0, при X 1); резонатор Фабри- Перо (частота fe)

fB - q + (2р + I + 1) JL arccos(1 - Ј )j, (2)

где с - скорость света в вакууме; d - рассто- .яние между зеркалами; b - радиус кривизны зеркала; р, 1, q - радиальный, азимутальный и продольный индексы колебания.

Собственная частотная дисперсия двухмодового резонатора

A f f в - птн,(3)

где п - выбранная кратность частот.

Очевидно, что для некоторых частот легко выполняется условие A f 0. Рассмотрим, как будет изменяться собственная частотная дисперсия Af при перестройке такого двухмодовсго резонатора. Отметим, что в соответствии с принципом полного совмещения двух резонаторов имеет место равенство L d.

Легко показать, что

(4)

a U Ј

2.d tb ГТГ1Рi hi

соответствии с материалами ячейки(5)

15

35

40

45

50

55

-29,6

МГц/мм и

прототипа примем для типа колебаний Нои: 5 R 24 и L 47,6 мм, тогда fH 8,25 ГГц. Для типа колебаний TEMooq: b 60, d 47,6 мм; q 18; fb 58,06 ГГц. При этом кратность частот n 7, т.е. собственная частотная дисперсия двухмодового резонатора в соответ- 10 ствии с соотношением (3) составляет Af 310МГц.

Поставив соответствующие параметры з выражения (4) и (5) и учитывая, что AOI - 3,832, получим

4Vm7

МГц/мм.

Тогда легко получить, что собственная частотная дисперсия двухмодового резона- 20 тора изменяется в зависимости от длины резонатора с рутизной

)-990 МГц/мм.

Таким образом, при изменении длины 25 СВЧ-резонатора на 1 мм собственная частотная дисперсия Af изменится на 990 МГц и составит более 1200 МГц, что приведет к значительным трудностям в измерении этой частоты и снижению точности этих иэмере- 30 ний.

Отметим, что при увеличении радиуса цилиндра несколько ослабевает ззвиси- d(Af)

мость -VT-i, но крутизна все равно остается больше, чем 500 МГц/мм.

Таким образом, измерительная ячейка- прототип пригодна для измерения дисперсии диэлектрических характеристик материалов лишь на отдельных частотах в миллиметровом диапазоне. В частности, для резонатора с указанными размерами это участки частоты шириной 100-200 МГц, расположенные на частотах, отстоящих от указанной величины 58,06 ГГц на равчые величины 3,15 ГГц, т.е. 61,21 ГГц (q 19); 64,36 ГГц (q - 20); 67,51 ГГц (q 21) и т.д.

Следует отметить, что в случае работы СВЧ-мзмерительной ячейки в режиме с большой собственной частотной дисперсией становится существенной температурная нестабильность величины Af. Так, очевидно, что для колебании Ноф в первом приближении имеет место

OF - ai,

где ар - температурный коэффициент ч ас- тоты; OL температурный коэффициент линейного расширения материала, из которого изготовлен резонатор.

По аналогии с выражением (4) можно получить из выражения (1):

H

R

fH

R

, A n m

( P

R

(

A n m 2

R

+ (Ґ-)2

(6)

тогда, полагая, что AT - изменение температуры резонатора и

Д L L- п, А Т, и Д R R ai А Т, то получим следующее выражение:

Лтн f« GL AT, () откуда следует, что а.гг - OL .

Для колебания ТЕМоса в первом приближении можно положить (поскольку первое слагаемое в правой части выражения (5) значительно превосходит второе): AfB -fB OL ДТ. (8)

Отсюда следует в соответствии с выражением (3), что температурный коэффициент собственной частотной дисперсии двухмодового резонатора совпадает по величине с GL , а изменение величины Af, приходящееся на 1°С, пропорционально самой величине Af.

Очевидно, что при больших значениях собственной частотной дисперсии точность измерений уменьшается из-за возрастающего влияния флюктуации температуры измерительной ячейки,

Таким образом, большие значения собственном частотней дисперсии двухмодового резонатора, присущие рассматриваемой конструкции, приводят к увеличению погрешности измерения как из-за усложнения работы соответствующего СВЧ-смесителя, так и из-за возрастающего влияния нестабильности температуры измерительной ячейки.

Цель изобретения - повышение точности измерения в диапазоне двух кратных частот.

Указанная цель достигается тем, что в СВЧ-измерительную ячейку, содержащую, цилиндрический корпус, первую торцовую стенку, имеющую сферическую поверхность, вторую торцовую стенку, имеющую сферическую поверхность, первый и второй элементы связи, третий и четвертый элементы связи, дополнительно введена перемещающаяся третья торцовая стенка, выполненная в форме кольца, расположенная внутри цилиндрического корпуса, образующая вместе с ним и первой торцовой стенкой цилиндрический резонатор, для возбуждения которого служат первый и второй элементы связи.

В предлагаемой измерительной ячейке в отличие от прототипа вводится кольцевая

ториовэ стенка, обеспечивающая часжч- нсе сосмешз.ипе цилиндрического объемно го резонатора и резонатора Фабри-Пер .

Известно использование цилинд,иче- 5 ских объемных резонаторов с высшими типами колебаний, Б частное.х применение Н-гипов с большими азимутальными ичдек- сзми.

Это обстоятельство используется для

10 получения продуваемых осеспгиметричных резонаторов с фиксируюшей ступенькой. В гре -.лагаямом устройстве использование с цилиндрическое резонаторе Н-типов с о, азимутальными индексами при5 . j ;с положительному эффекту - повышению точности измерения в диапазоне двух кратных частот.

На f| иг. 1 схематически показан резона- то с; на фиг.2 - график азимутальной кэмпо0 электрического поля.

В цилиндрическом объемном резонаторе измерительной ячейки используется высший тип колебаний Н.-ир (в частности n 5, р 1, а в резонаторе Фабри-Перо - основ5 ной Т1- n колебаний TEMcoq (о частности q 35). Bi-сший тип колебаний НП1р характеризуется тем, что электромагнитное поле внут- ри сезонатора концентрируется на периферии 1;илиндра, в в центральной обла0 сти - весьма слабое. Азимутальная компонента электрического поля (фиг.2) поопгюциональна функции jn (x-Ani), зависимость которой от нормированного радиу„ са (х - -я-) для n 0-6, причем 3,054; Asi

4,201; А41 5,318; Asi 6,416; Asi 7.501.

Очевидно, что без заметного влияния на

добротность резонатора с типом колебаний,

например Hsn, в центре одной из его тор0 цовых стенок можно изготовить отверстие с диаметром, равным R.

Резонатор содержит цилиндрический корпус 1, первую торцовую стен-;у 2, вторую торцовую стенку 3, первый и второй элемен5 ты 4 и 5 связи, третий и четвертый элементы 6 и 7 связи, третью торцовую стенку 8. первую крышку 9, вторую крышку 10.

Таким образом, цилиндрический объемный резонатор образован цилиндрическим

0 корпусом 1, первой торцовой стенкой 2 и

третьей торцовой стенкой 8. Резонатор

Фабри-Перо образован первой торцовой

стенкой 2 и второй торцовой стенкой 3.

Перестройка резонатора Фабри-Перо

5 осуществляется перемещением первой торцовой стенки, а перестройка цилиндрического объемного резонатора - перемещением третьей торцовой стенки. Таким образом, в любой точке частотного диапазона в частично совмещенном резонаторе можно установить требуемую величину частотной дисперсии.

Более того, выбором величины R, L, b, d можно добиться того, что частотная дисперсия такого резонатора будет практически постоянна в широком диапазоне перестройки частоты резонатора, В самом деле достаточно положить

df -„ dJu d (Т) П d L

(9)

и учитывая, что второе слагаемое в правой части выражения (5) существенно (-в 100 раз) меньше, чем первое слагаемое, то получим

( - fB njn .l L }

d L f р Л -л , , A n m Ч2 (-Ј-) + .,

тогда при условии fB (условие; точной кратности) получим

( Р п 2 . ( A-D JOD 2 ( - -П R ) d -- L

(Ю)

L

/ у i (Г

(11)

При R 50 мм и L 22,3 мм; IK 9 ГГц (тип колебания Hsu), получим d -49 мм. Для параметра b 60 мм (fe 54 ГГц) и радиуса апертуры зеркала я 25 мм получим чмслп

2

Френеля (N -Ц-) для Я 5 мм (Я- длина

волны), N 2,12.

Полученное значение числа Френеля обеспечивает приемлемые дифракционные потери в резонаторе Фабри-Перо ( Я 10 J).

Нагруженные добротности частично совмещенного резонатора составляют не менее 10 на нижней частоте fH и не менее 2 «10 - на верхней частоте fs.

Приведенные размеры частично совмещенного резонатора обеспечивают возможность перестройки частоты с помощью одного элемента - первой торцовой стенки.

Экспериментальная проверка проводилась с помощью цилиндрического резонатора с размерами R 28 мм и L 49,7 мм, отверстие в первой торцовой стенке имеет диаметр 30 мм. Резонансная частота цилиндрического резонатора 12 ГГц,тип колебаний Hsli. нагруженная добротность составляет 8000. Резонатор Фабри-Перо, частично совмещенный с цилиндрическим

резонатором, имеет размеры, мм: а 25; b 75; d 61, резонансная частота составляет СО ГГц, нагруженная добротность (1-1,5)10 , 2,05, тип колебаний - TEMooq (q 24).

Таким образом, предлагаемая ячейка

характеризуется повышением точности измерения частотной дисперсии частично совмещенного резонатора за счет независимо л перестройки частоты цилинд0 рического резонатора и резонатора Фабри- Перо, повышением точности измерения частотной дисперсии частично совмещенного резонатора за счет уменьшений влияния нестабильности температуры. Кроме

5 того предлагаемая ячейка характеризуется достижением точной кратности резонансных частот частично совмещенного резонатора в широком диапазоне частот путэм определенного выбора размеров резонато0 ра, а также обеспечением равной точности измерений в широком диапазоне частот.

Формула изобретения

5СВЧ-измерительная ячейка, содержащая цилиндрический корпус, первую торцовую стенку, имеющую сферическую поверхность, которая .оасположена с одной стороны цилиндричег .ото корпуса перпенС дикулг.рно к его оси и отановлена с возмож- ностью гродольного перемещений относхтеоьно него, вторую торцовую стенку, имеющую сферическую поверхность, расположенную с другой стороны цилинд5 ричйского корпуса коаксизльно с.первой торцовой стенкой, первый и второй элементы связи, размещенные в цилиндрическом корпусе, третий и четвертый элементы свя- зг, размещенные з центральной части вто0 рой торцовой стенки для возбуждения открытого резонатора, образованного первой и второй торцовыми стенками, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности измерения в диапазоне двух

5 кратных частот, введена третья торцовая стенка, выполненная D форме кольца, расположенная с возможностью перемещения внутри цилиндрического корпуса, образующая вместе с ним и первой торцовой стен0 кой цилиндрический резонатор, для возбуждения которого служат первый и вто- зой элементы связи.

Редактор Ю.Середа

0,2 0,4 0,6 0,8х

Фиг. 2

Составитель Е.Мецнер

Техред М.МоргенталКорректор Т.Малец

763 Ю

Изобретение относится к радиоизмери- тельной технике и может быть использовано в цвухчастотной СВЧ-измерительной ячейке для измерения параметров диэлектриков. Целью изобретения является повышение точности измерения в диапазоне двух кратных частот. Эта цель достигается частичным совмещением цилиндрического объемного резонатора и резонатора Фа бри-Перо. Это обеспечивает независимую перестройку частоты резонаторов и установку требуемой частотной дисперсии частично совмещенного резонатора в широком диапазоне частот, что приводит к повышению точности измерений параметров диэлектриков в диапазоне двух кратных частот 2 ил.