Устройство для измерения полосы пропускания СВЧ-резонаторов Советский патент 1992 года по МПК G01R27/04 G01R27/26 

fot.1

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения полосы пропускания, добротности, диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь веществ.

Известно устройство для измерения полосы пропускания СВЧ-резонаторов, содержащее СВЧ-генератор, исследуемый СВЧ-резонатор, индикатор.

Однако это устройство не обладает высоким быстродействием измерений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для измерения полосы пропускания СВЧ-резонаторов. содержащее соединенные последовательно СВЧ-генератор, исследуемый СВЧ-резонатор, СВЧ-детектор, усилитель, удвоитель частоты и фазовый детектор, соединенные после- довательнр усилитель постоянного тока, фильтр низких частот и индикатор нуля, соединенные последовательно генератор мо дулирующего сигнала и второй удвоитель частоты, выходом подключенный к второму входу фазового детектора, выход которого соединен с входом усилителя постоянного тока, частотомер, входом соединенный с одним из выходов генератора модулирующего сигнала, второй выход которого подключен к входу модуляции СВЧ-генератора. третий выход соединен с входом второго удвоителя частоты, блок автоматической подстройки частоты, включенный между вторым выходом СВЧ-детектора и входом управления частотой СВЧ-генератора, второй выход которого подключен к индикатору резонансной частоты, переключатель, первым входом соединенный с выходом фильтра низких частот, вторым входом - с общей шиной, а выходом - с генератором модулирующего сигнала.

Однако известное устройство не обеспечивает высокое быстродействие измерений из-за наличия в измерительном процессе ручных операций управления частотой генератора модулирующего сигнала, управления переключателем, а также операций по вычислению полосы пропускания и добротности исследуемого резонатора.

Цель изобретения - повышение быстродействия измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения полосы пропускания СВЧ-резонаторов введены соединенные последовательно третий удвоитель частоты и измеритель отношения двух частот, другим входом подключенный к второму выходу СВЧ-генератора, соединенные последовательно генератор тактовых импульсов, генератор управляющего напряжения и сумматор, вторым входом подключенный к выходу переключателя, а выходом соединенный с управляющим входом генератора модулирующего сигнала, компаратор, первым входом подключенный к выходу фильтра низкой частоты, вторым - к общей шине, а выходом - к входам управления генератора управляющего напряжения и переключателя, причем третий выход гене0 ратора модулирующего сигнала подключен к входу третьего удвоителя частоты. При этом генератор управляющего напряжения содержит интегратор, три электронных ключа, резонатор и клемму источника питания,

5 управляющий вход первого ключа соединен

с первым входом генератора управляющего

напряжения и управляющим входом трёть его ключа, первый выход которого соединен

с первым входом интегратора, а второй вы0 ход - с вторым входом интегратора и через соединенные второй ключ и резонатор - с клеммой источника питания, управляющий вход второго ключа соединен с вторым входом генератора управляющего напряжения,

5 выходы первого ключа - с соответствующими входами интегратора, выход которого со- единен с выходом генератора управляющего напряжения.

Сравнение известного устройства с

0 предлагаемым показывает, что заявляемое устройство проявляет новые технические свойства, выраженные в повышении быстродействия измерений за счет исключения из измерительного процесса ручных опера5 ций настройки генератора модулирующего сигнала, управления переключателем.-а также вычислительных операций по определению полосы пропускания и добротности исследуемого СВЧ-резонатора. .

0 На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для измерения полосы пропускания СВЧ-резонаторов; на фиг. 2 - струк- турная схема блока автоматической подстройки частоты; на фиг. 3 -структурная

5 схема генератора управляющего напряжения; на фиг. 4 - осциллограммы управляющих напряжений.

Устройство для измерения полосы пропускания СВЧ-резонаторов содержит сое0 диненные последовательно СВЧ-генератор 1, СВЧ-резонатор 2, СВЧ-детектор 3, усилитель 4, удвоитель 5 частоты и фазовый детектор 6, второй удвоитель 7, выходом подключенный к второму входу фазового де5 тектора 6. генератор 8 модулирующего сигнала, первым выходом соединенный с управляющим входом СВЧ-генератора 1, вторым выходом подключенный к входу второго удвоителя 7 частоты, соединенные последовательно усилитель S постоянного

тока, фильтр 10 низких частот и переключатель 11, блок 12 автоматической подстройки, входом подключенный к второму выходу СВЧ-детектора 3, а выходом соединенный с входом управления частотой генератора СВЧ 1, соединенные последовательно третий удвоитель 13 частоты и измеритель 14 отношения частот, другим входом подключенный к второму выходу СВЧ-генератора 1, соединенные последовательно генератор 15тактовых импульсов, генератор 16управ- ляющего напряжения и сумматор 17, вторым входом подключенный к выходу переключателя 11, а выходом соединенный с управляющим входом генератора 8 модулирующего сигнала, компаратор 1В, первым входом подключенный к выходу фильтра 10 низкой частоты, вторым входом - к общей шине, а выходом - к входам управления генератора 16 управляющего напряжения и переключателя 11, причем третий выход генератора 8 модулирующего сигнала подключен к входу третьего удвоителя 13 частоты.

Блок 12 автоматической подстройки частоты (АПЧ) содержит усилитель 19 сигнала Ошибки, входом подключенный к входу АПЧ 12, фазовый детектор 20, первым входом соединенный с выходом усилителя 19, фазовращатель 21, выходом подключенный к второму входу фазового детектора 20, модулирующий генератор 22, выходом соединенный с входом фазовращателя 21. усилитель 23 постоянного тока, входом подключенный к выходу фазового детектора 20, фильтр 24 нижних частот, входом соединенный с выходом усилителя 23, а выходом - с входом модулирующего генератора 22 и выходом АПЧ 12.

Генератор 16 управляющего напряжения содержит интегратор 25, электронные ключи 26-28, резонатор 29 и клемму 30 источника питания, причем первый ключ 26 подключен параллельно конденсатору интегратора 25, второй ключ 27 подключен между резистором 29 и инвертирующим входом интегратора 25, третий ключ 28 подсоединен между инвертирующим и неинвертирующим входами интегратора 25, управляющие входы первого 26 и третьего 28 ключей подключены к первому входу генератора 16, а управляющий вход ключа 27 соединен с вторым входом генератора 16.

Устройство для измерения полосы пропускания СВЧ-генераторов работает следующим образом.

В зависимости от положения органов управления измерителя 14 отношения частот, в качестве которого применяется выпускаемый промышленностью электронный

частотомер, измеритель может работать в трех режимах: режим измерения резонансной частоты СВЧ-резонатора 2; режим измерения полосы пропускания 5 СВЧ-резонатора 2 (измерение частоты сигнала с выхода третьего удвоителя 13 частоты; режим отношения резонансной частоты СВЧ-резонатора 2 и частоты сигнала на выходе удвоителя 13 частоты (измерение до0 бротности СВЧ-реэонатора 2).

В режиме измерения резонансной частоты СВЧ-резонатрра 2 включается блок АПЧ 12 и СВЧ-генератор 1 настраивается на резонансную частоту исследуемого резона5 тора 2.

Блок АПЧ 12 работает следующим образом.

Модулирующий генератор 2 2 осуществляет частотную модуляцию СВЧ-генератора

0 1, при этом частота модулирующего генератора 22 постоянна. Система - исследуемый . СВЧ-резонатор 2 - СВЧ-детектор 3 - осуществляет нелинейное преобразование частотно-модулированногосигнала

5 СВЧ-генератора 1, в результате чего на нагрузке СВЧ-детектора 3 выделяется сигнал частоты модуляции и кратных ей частот, причем сигнал модулирующей частоты (рабочий сигнал) при изменении знака рас0 стройки СВЧ-генератора 1 относительно исследуемого СВЧ-резонатора 2 меняет фазу на 180° (проходит через нуль). После усиления в усилителе 19 сигнала ошибки рабочий сигнал поступает на вход фазового

5 детектора 20, на второй вход которого через фазовращатель 21 подается сигнал модулирующего генератора 22 (опорный сигнал). На выходе фазового детектора 20 формируется сигнал ошибки, который через усили0 тель 23 постоянного тока и фильтр 24 поступает на управляющий вход СВЧ-генератора 1, подстраивая его на резонансную частоту исследуемого СВЧ-резонатора 2. При работе АПЧ 12 частота СВЧ-генератора

5 1 поддерживается равной резонансной частоте исследуемого СВЧ-резонатора 2.

Генератор 1 в управляющего напряжения работает следующим образом.

Сигнал с генератора 15 тактовых им0 пульсов Ui-ти (фиг. 4а) поступает на первый вход генератора 16 управляющего напряжения и далее на электронный ключ 26, подключенный параллельно конденсатору интегратора 25. Одновременно он подается

5 на ключ 28. В результате замыкания ключей 26, 28 конденсатор разряжается, входы интегратора 25 замыкаются и на выходе 20 появляется сигнал, равный нулю. При этом ключ 27 замкнут. После прекращения действия импульса UfTH генератора 15 ключи 26,

28 размыкаются и напряжение на выходе интегратора 25 UryH (фиг. 46) возрастает по линейному закону. В момент появления сигнала UKOMO (фиг. 4г) единичного уровня на втором входе генератора 16 (с выхода компаратора 18) ключ 27 размыкается, и напряжение UryH остается неизменным до прихода следующего импульса Ur™. В дальнейшем процесс повторяется.

В режиме измерения полосы пропускания измеритель работает следующим образом.

Генератор 15 тактовых импульсов вырабатывает периодическую последовательность прямоугольных импульсов Ur™, которые поступают на вход генератора 16 управляющих импульсов и запускают его. В результате на его выходе появляется линейно возрастающий сигнал Ur/н. который через первый-вход сумматора 17 поступает на управляющий вход генератора 8 модулирующего сигнала. Сигнал Уконп на выходе компаратора 18 равен нулевому уровню, поэтому переключатель 11 находится в состоянии, когда к второму входу сумматора 17 подключается общая шина. Генераторе начинает перестраиваться по частоте. Сигнал с выхода генератора 1, промодулиро- ванный по амплитуде, поступает через СВЧ-резонатор 2 на вход СВЧ-детектора 3. Детектор 3 детектирует этот сигнал, в результате на его выходе появляется напряжение сигнала огибающей 1)з

U3 Umicos{2 Ft-y5),(1)

tgp F/Afot(2)

где Ua - напряжение сигнала огибающей;

Umi амплитуда сигнала огибающей на входе усилителя 4;

F - частота модулирующего сигнала;

ДГо половина полосы пропускания исследуемого СВЧ-рёзонатора 2;

р фазовый сдвиг огибающей сигнала СВЧ относительно модулирующего сигнала.

Сигнал Us усиливается в усилителе 4 и поступает на первый удвоитель 5 частоты. Сигнал на выходе удвоителя 5 частоты

Us KUmi cos{4 ftFt - 2 ф,

(3)

где К - коэффициент преобразования.

На выходе второго удвоителя 7 частоты сигнал имеет вид

Ui KUm22cos(47rFt),(4)

где Um2 - амплитуда сигнала на втором выходе генератора 8.

Сигналы Us, U поступают на фазовый детектор 6, напряжение на выходе которого

U6 K6K2Um12 Um22COS2.{5} где Кб коэффициент передачи фазового детектора 6.

После усиления в усилителе 9 через фильтр 10 этот сигнал ифнч (фиг, 4в) (сигнал ошибки) поступает на переключатель 11 и на компаратор 18.

Перестройка по частоте генератора 8

происходит до тех пор, пока сигнал ифнч на выходе фильтра 10 не достигнет нулевого значения. В этом случае частота модулирующего сигнала F будет равна половине полосы пропускания исследуемого резонатора 2, как это следует из выражения (2) и формулы (5)

.(6)

В момент выполнения условия (6)срабатывает компаратор 18 и на его выходе появляется сигнал еДИНИЧНОГО УРОВНЯ UKOMR, который поступает на второй управляющий вход генератора 16 управляющего напряжения и на управляющий вход переключателя

11. Под действием этого сигнала напряжение на выходе генератора 16 перестает возрастать и остается постоянным до прихода очередного тактового импульса с генератора 15, а переключатель 11 подает сигнал

ифнч с выхода фильтра 10 на второй вход сумматора 17, который, суммирует сигнал генератора 16 с сигналом фильтра 10. Так как измеритель имеет определенную полосу схватывания, то в результате воздействия

суммарного сигнала генератор 8 точно настраивается на частоту F. Очевидно, что сигнал на выходе фазового детектора б изменяет знак согласно (2) и (5) при (р 45° л в этот момент выполняется условие (6).

Сигнал с третьего выхода генератора 8 подается на удвоитель 13 частоты. Напряжение с выхода удвоителя 13 частоты с частотой 2Af0 подается на измеритель 14, который измеряет полосу про-пускания

СВЧ-резонатора 2.

.В режиме измерения добротности измеритель работает следующим образом.

.Измеритель 14 устанавливается в режим отношения двух частот. На один из его

входов поступает СВЧ-сигнал с выхода генератора 1, а на другой - напряжение с третьего удвоителя 13 частоты.

Работа устройства для измерения полосы пропускания СВЧ-резонаторов в режиме

измерения добротности не отличается от его работы в двух предыдущих режимах. Значение добротности как и два других параметра снимается с цифрового индикатора измерителя отношения частот.

Таким образом, введение в устройство для измерения полосы пропускания СВЧ- резонаторое третьего удвоителя частоты, измерителя отношения частот, генератора тактовых импульсов, генератора управляющего напряжения, сумматора и компаратора позволяет исключить ручную настройку генератора модулирующего сигнала на5 частоту F, исключить ручную операцию переключения выхода фильтра низкой частоты на вход генератора модулирующего сигнала, исключить операцию пересчета значения Af0 в 2Af0, а также операцию вычисления добротности по формуле

« Трез

Q-TA1T

что позволяет повысить быстродействие измерений, чем и достигается поставленная цель.

Спектр СВЧ-сигнала генератора 1 со- держит несущую сигнала СВЧ, два противофазных спутника (ЧМ-модуляция с малым индексом), отстоящие от несущей на ±Рнм, два синфазных спутника (АМ-модуляция), отстоящие от несущей на ± Рам.

На СВЧ-детекторе 3 выделяется частота Рчм (сигнал ошибки, этот сигнал обращается в нуль при работе блока 12), частота Рам (сигнал используется в системе измерения полосы пропускания исследуемого СВЧ-ре- зонатора 2), частота Рам ± Рчм {легко показать, что при настройке СВЧ-генератора 1 на резонансную частоту исследуемого СВЧ- резонатора 2 эти сигналы обращаются в

НУЛЬ).. :., .

Для совместимости блока 12 с рассматриваемым устройством для измерения полосы пропускания СВЧ-резонаторое необходимо выполнить условие Рчм Ио либо, если полоса пропускания исследуемого СВЧ-резрнатора 2 изменяется по каким-либо причинам (например, из-за введения исследуемого образца), вынести Рчм за пределы изменения половины полосы пропускания исследуемого СВЧ-резонаторё 2. При правильной настройке блока 12 сигнал частоты Рчм, попадающий на фазовый детектор 20, не влияет на его работу, так как фазовый детектор 20 интегрирует сигналы всех частот, отличных от Рчм. Для лучшей развязки можно выполнить усилитель 19 сигнала ошибки полосовым (на частоты

Рчм).

Формула изобретения

1. Устройство для измерения полосы пропускания СВЧ-резонаторов, содержащее соединенные последовательно ОВЧ-ге- нератор, СВЧ-резонатор, СВЧ-детектор, усилитель, удвоитель частоты и фазовый де-

тектор, второй удвоитель частоты, выходом подключенный к второму входу фазового детектора, генератор модулирующего сигнала, первым выходом соединенный с управляющим входом СВЧ-генератора, вторым выходом подключенный к входу второго удвоителя частоты, соединенные последовательно усилитель постоянного тока, фильтр низких частот и переключатель, вторым входом подключённый к общей шине, блок автоматической подстройки частоты, входом подключенный к второму выходу СВЧ-детектора, а выходом соединенный с входом управления частотой СВЧ-генератора, выход фазового детектора подключен к входу усилителя постоянного тока, отличающееся тем. что, с целью повышения быстродействия измерений, в него введены соединенные последовательно третий удвоитель частоты и измеритель отношения двух частот, другим входом подключенный к второму выходу СВЧ-генератора. соединенные последовательно генератор тактовых импульсов, генератор управляющего напряжения и сумматор, вторым входом подключенный к выходу переключателя, а выходом соединенный с управляющим входом генератора модулирующего сигна- лз.компаратор, первым входом подключенный к выходу фильтра низкой частоты, вторым входом к общей шине, а выходом - к входам управления генератора управляющего напряжения и переключателя, причем третий выход генератора модулирующего сигнала подключен к входу третьего удвоителя частоты.

2. Устройство по п. t, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что генератор управляющего напряжения содержит интегратор, три .электронных ключа, резонатор и клемму источника питания, управляющий вход первого ключа соединен с первым входом генератора управляющего напряжения и управляющим входом третьего ключа, первый выход которого соединен с первым входом интегратора, а второй выход с вторым входом интегратора и через соединенные второй ключ и резонатор с клеммой источника питания, управляющий выход второго ключа соединен с вторым входом генератора управляющего напряжения, выходы первого ключа соединены с соответствующими входами интегратора, выход которого соединен с выходом генератора управляющего напряжения.

24

i-генератора I

3t

от СВЧ-дадв- ктора 3

Изобретение относится к радиоизмерительной технике на СВЧ и может быть ис- г.ользовано для измерения полосы пропускания, добротности, диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь веществ. Цель изобретения - повышение быстродействия. Введение в устройство удвоителя 13 частоты, измерителя 14 отношения двух частот, генератора 15 тактовых импульсов, генератора 16 управляющего напряжения, сумматора 17, компаратора 18 и их связей позволяет исключить ручную настройку генератора 8 модулирующего сигнала на частоту F, равную половине полосы пропускания исследуемого резонатора 1, исключить ручную операцию переключения выхода фильтра 10 низкой частоты на вход генератора 8, исключить операцию пересчета значения Д f0 в 2Д f0, a также операцию вычисления добротности резонатора 1. 1 з.п. ф-лы. 4 ил.

L

Фиг. 3

®иг. Z

ГУН

)

YW

fl

№

I

Фиг. 4