Устройство для измерения разности фаз Советский патент 1992 года по МПК G01R25/02 

СП

С

Использование: фазоизмерительная техника, измерение разности фаз двух когерентных электрических колебаний и фазовых характеристик радиоэлементов в широком диапазоне частот. Сущность изобретения: устройство содержит высокочастотный генератор (1), клеммы для подключения исследуемого радиоэлемента (2). переключатель (3), магазин калибруемых RC-цепочек (4), 2 блока согласования (5.1, 5.2). лазер (6), 2 полупрозрачных зеркала

-ч

(Л 00 01 00

о

Изобретение относится к фазоизмери- тельной технике и может быть использовано для измерения разности фаз двух когерентных электрических колебаний и фа- зоэых характеристик радиоэлементов в широком диапазоне частот, включая высокие и сверхвысокие,

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство, содержащее источник света, высокочастотный генератор, входные и выходные клеммы для подключения исследуемого радиоэлемента, модулирующую электрооптическую ячейку, демодулирующую электрооптическую ячейку, поляриметр, первый и второй блоки согласования. Цель изобретения достигается путем перевода разности фаз двух электрических колебаний в поворот плоскости поляризации света и последующего измерения этого угла поворота плоскости с помощью поляриметра, чем может достигаться точность измерения до тысячных долей градуса.

Однако для многих задач физики и электроники эта точность невысока.

На чертеже представлена структурная схема устройства,

Устройство содержит высокочастотный генератор 1, входные клеммы для подключения исследуемого радиоэлемента 2, пере- ключатеяь 3, магазин 4 калибруемых RC-цепочек, блоки 5.1 и 5.2 согласования, лазер 6, полупрозрачные зеркала 7.1 и 7.2, электрооптические модуляторы 8.1 и 8.2, поляризаторы света 9.1 - 9,4, отражательные зеркала 10.1 и 10.2, уголковый отражатель 11, фоторегистрирующее устройство 12, измеритель 13 длины.

Устройство для измерения разности фаз работает следующим образом.

Высокочастотный сигнал от генератооа 1 в случае прямого включения двухпозици- онного двухполюсного переключателя 3 поступает через магазин 4 калибруемых RC-цепочек на первый блок 5.1 согласования и через исследуемый радиоэлемент, подключенный к клеммам 2, - на блок 5.2 согласования, Если радиоэлемент вносит отрицательный сдвиг в фазу сигнала, то элементы устройства функционируют следующим образом.

На блок 5.1 согласования поступает сигнал, опережающий по фазе сигнал,поступающий на блок 5.2 согласования. В блоках согласования 5,1 и 5.2 исследуемые колебания формируют одинаковые по форме, величине и длительности по отношению друг к другу электрические импульсы, не зависящие от частоты генератора, и с разностью фаз, равной разности фаз исследуемых ко-

лебаний. Сформированные одинаковые электрические импульсы управляют злект- рооптическими модуляторами 8,1 и 8.2. Спет от лазера б делится полупрозрачным зеркалом 7.1 и далее распространяется по первому и второму оптическим каналам, По первому оптическому каналу лазерное излучение проходит через злектрооптиче- ский модулятор 8,1 и, при наличии управля0 ющего сигнала, поляризатор 9.1 света, ориентированный перпендикулярно плоскости поляризации лазерного излучения, отражается от первого зеркала системы отражательных, зеркал 10.1, проходит уголко5 вый отражатель 11, отражается от второго зеркала системы отражательных зеркал 10,1, делится полупрозрачным зеркалом 7,2, проходит поляризатор 9.4 света и частично попадает в фоторегистрирующее устройст0 во 12, испытав постоянный сдвиг фазы при прохождении элементов оптического канала, Во втором оптическом канале лазерное излучение проходит через поляризатор света 9,2, ориентированный на прохождение

5 максимума интенсивности лазерного излучения, отраженного полупрозрачным зеркалом 7.1, электрооптический модулятор 8.2 и, при наличии управляющего сигнала, поляризатор 9.3 света, ориентированный пер0 пендикулярно к ориентации поляризатора 9.2, систему отражательных зеркал 10.2, делится полупрозрачным зеркалом 7.2, также проходит поляризатор света 9.4 и частично попадает в фоторегистрирующее устройст5 во 12, испытав постоянный сдвиг фазы при прохождении элементов второго оптического канала, отличающейся от сдвига фазы излучения, прошедшего первый оптический канал,

0При отсутствии одинаковых электрических импульсов от блоков согласования 5,1 и 5.2 электрооптические модуляторы 8,1 и 8.2 не поворачивают плоскость поляризации лазерного излучения и оно полностью

5 поглощается поляризаторами 9.1 - 9.3 света. Сформированные одинаковые электрические импульсы, поданные на электрооптические модуляторы 8.1 и 8.2, приводят к повороту плоскости поляриза0 ции лазерного излучения на 90° вокруг направления распространения излучения. При этом поляризация лазерного излучения совпадает с ориентацией поляризаторов света 9.1 и 9.3 в первом и втором оптических

5 каналах и через поляризаторы 9.1 и 9.3 проходят световые импульсы длительностью и формой соответствующие одинаковым электрическим импульсам.

При отсутствии исследуемого радиоэлемента на клеммах 2 сдвига фаз между одипаковыми импульсами нет. Изменением положения уголкового отражателя 11 получают приблизительное равенство оптических длин пути света в первом и втором каналах. Интерференция двух одинаковых линейно- поляризованных световых импульсов, вы- шедших из поляризатора 9.4, позволяет получать при малых изменениях положения уголкового отражателя 11 минимум интенсивности лазерного излучения, поступающего в фоторегистрирующее устройство 12.

Включение исследуемого радиоэлемента вызывает запаздывание по фазе второго из одинаковых импульсов. В этом случае свет от обоих импульсов, попадающих в фоторегистрирующее устройство 12, будет да- вать интенсивность большую, чем при полученном интерференционном минимуме в отсутствие радиоэлемента. Вводя в опережающий импульс лазерного излучения дополнительную оптическую длину пу- ти с помощью изменения положения уголкового отражателя 11, вновь получают минимум интенсивности лазерного излучения, поступающего в фоторегистрирующее устройство 12. Расстояние между положа- ниями уголкового отражателя при минимуме интенсивности на оптическом входе фоторегистрирующего устройства без исследуемого радиоэлемента и с подключенным радиоэлементом измеряется. измерителем длины 13.

Измеряемая разность фаз двух когерентных электрических колебаний рассчитывается по формуле

р -2 360 -f

о

где d - расстояние между положениями уголкового отражателя 11; f-частота генератора 1; с - скорость света в вакууме.

В случае большой величины разности фаз, когда измерителем длины нельзя измерить всю оптическую разность хода двух когерентных световых импульсов, используют предварительно калиброванные для данной частоты RC-цепочки магазина 4. RC- цепочки магазина 4 вносят отрицательный заранее известный сдвиг фазы в опережающий электрический сигнал, подающийся на блок 5.1. Тем самым достигается уменьше- ние на известную калиброванную величину оптической разности хода двух когерентных световых импульсов до величины, которую можно измерить измерителем длины, Формула разности фаз записывается о этом слу- чае таким образом:

Ф 1Р + 2.

I 0

где р - разность фаз, измеренная измерителем длины;

р - сдвиг фаз, задаваемый 1-й НС-цепочкой;

N - число используемых цепочек.

Если по достижении (-180°) не получен минимум интенсивности лазерного излучения, поступающего в фоторегистрирующее устройство 12, то это означает, что сдвиг фазы сигнала вносимый радиоэлементом положительный. При этом элементы устройства функционируют следующим образом.

Двухпозиционным двухполюсным переключателем 3 переключают цепи перекрестно и сигнал, прошедший радиоэлемент, будет подан через магазин 4 на блок 5.1 согласования, а сигнал от генератора 1 -на блок5.2 согласования. В обоих случаях (или отрицательный, или положительный сдпиг фаз вносится радиоэлементом) нэ блок согласования 5,1 поступает сигнал, опережающий по фазе сигнал, поступающий на блок согласования 5.2.

Вновь проводят указанные измерения разности фаз. При этом Б формуле измеряемой разности фаз изменяют знак.

Если измеритель длины 13 выполнен в виде известного интерференционного лазерного измерителя длины, то точность измерения расстояния между положениями уголкового отражатели 11 достигнет

d - Ј где

чателя, используемого в измерителе длины. Теперь на частоте исследуемых сигналов f 1 МГЦ при А 1 мк

Д - -ЗбСГ-f,

точность измерения может достигать величины

А-длина волны лазерного излуД -2

-.8

10° -360° (1,2 ),

2-3- 10е

Таким образом, в результате перевода разности фаз двух электрических колебаний в разность фаз двух одинаковых импульсов лазерного излучения и последующего измерения-этой разности фаз путем определения оптической разности хода между ними можно достичь более высокой точности, чем указано в прототипе при переводе разности фаз двух электрических колебаний в угол поворота плоскости поляризации и последующего измерения этого угла поворота плоскости поляризации с помощью поляриметра.

Формула изобретения Устройство для измерения разности фаз, содержащее высокочастотный генератор, входные и выходные клеммы для подключения исследуемого радиоэлемента, первый и второй блоки согласования, первую и вторую злектрооптические ячейки, при этом выход высокочастотного генератора соединен с первым блоком согласования и через клеммы с вторым блоком согласования, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены двухпозиционный двухполюсный переключатель, соединяющий выходы генератора и клемм с входами первого и второго блоков согласования, магазин калибруемых RC-церпочек, размещенный между двухпозиционным двухполюсным переключателем и первым блоком согласования, источник лазерного излучения, первое полупрозрачное зеркало, оптически связанное с лазером и создающее два оптических канала, первый канал состоит из последовательно соединенных электрического модулятора, связанного с первым блоком согласования, поляризатора света, системы

отражательных зеркал, оптически связанной с уголковым отражателем, и второго полупрозрачного зеркала, второй оптический канал состоит из последовательно соединенных первого поляризатора света.

электрооптического модулятора, связанного с вторым блоком согласования, второго поляризатора света и системы отражательных зеркал, оптически связанной с вторым полупрозрачным зеркалом, которое оптически связано с последовательно соединенными поляризатором света и фоторегистрирующим устройством, причем уголковый отражатель первого канала механически связан с измерителем длины.