Способ измерения длины волны Советский патент 1992 года по МПК G01R23/02 

1

(21)4863131/09 (22) 29.08.90 (46)23.09.92. Бюл. №35

(71)Центральный научно-исследовательский институт измерительной аппаратуры

(72)В.К.Киселев, Е.М.Кулешов, В.С.Лисицын и Ю.М.Надежкин

(56)Валитов Ф.А. и др. Техника субмиллиметровых волн. - Сов. радио, 1969, с. 328. 362.

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ ВОЛНЫ

(57)Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и предназначено для измерения в квазиоптических трактах миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов радиоволн. Цель изобретения - расширение диапазона

измеряемых длин волн колебаний произвольной поляризации. Сигнал произвольной поляризации разделяют на два ортогонально поляризованных сигнала, направляют компоненты по двум каналам, один из которых имеет переменную регулируемую длину, сводят компоненты в один канал, измеряют изменение длины АI переменного канала между двумя одинаковыми состояниями поляризации результирующего сигнала, определяют длину волны пофор1 Al муле , где m - число периодов

повторения одинаковых состояний поляризаций на выбранном интервале. 1 ил.

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и предназначено для измерения в квазиоптических трактах миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов радиоволн.

Известен способ измерения длины волны в указанном диапазоне, основанный на резонансном поглощении сигнала при пропускании через резонансную систему.

Недостатком способа является ограничение широкополосности из-за частотной зависимости коэффициента связи резонатора с трактом.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ измерения длины волны, включающий разделение сигнала на два пучка, внесение фазового сдвига между ними, последующее сложение пучков и исследование интерференционной картины.

Недостатком способа является ограничение широкополосности частотными свойствами делителя пучка. Кроме того, способ не обеспечивает непосредственного измерения длины волны колебаний произвольной поляризации.

Целью изобретения является расширение диапазона измеряемых длин волн колебаний произвольной поляризации.

Поставленная цель достигается тем. что в способе измерения длины волны, включающем разделение сигнала на два компонента, направление компонентов по двум каналам, один из которых имеет перемен- ную регулируемую длину I, измерение изменения длины переменного канала Д1, сведения компонентов в один канал, сигнал произвольной поляризации разделяют на два ортогонально-поляризованных компонента, изменение длины переменного канала At измеряют между двумя одинаковыми состояниями поляризации результирующеVI( СА) О Ю

сл

го сигнала и определяют длину волны по формуле

А

Л

m

где m - число периодов повторения одинаковых состояний поляризаций на выбранном интервале.

Предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что сигналы, сведенные в общий канал, остаются взаимно ортогонально-поляризованными, интерференционные явления отсутствуют и интенсивность выходного сигнала является постоянной величиной, не зависящей от разности фаз между его составляющими. Поляризация выходного сигнала является периодической функцией этой разности фаз.

На чертеже показано устройство для осуществления предлагаемого способа.

Устройство содержит полый диэлектрический лучевод 1, поляризующую проволочную решетку 2, плоский металлический отражатель 3. механизм 4 перемещения отражателя, анализатор 5 поляризации,отрезок лучевода 6, волноводно-лучевой переход 7, детектор 8, усилитель 9, индикатор 10.

Измерение длины волны по данному способу основано на зависимости поляризации сигнала от разности фаз между его ортогональными составляющими. Известны широкополосные свойства поляризую- щих проволочных решеток. Если период такой решетки гораздо меньше самой короткой длины волны A min исследуемого диапазона, то решетка работает как 100%-й поляризатор для всех длин волн . С помощью такой решетки, установленной под углом к оси лучевода, сигнал любой поляризации разделяется на два взаимно ортогонально-поляризованных сигнала, один из которых линейно поляризован вдоль на- правления проволок решетки, а другой - перпендикулярно ему. Эти сигналы направляют по двум каналам, разность электрических длин которых можно плавно регулировать. Затем сигналы сводят в об- щий канал с анализатором поляризации на выходе, причем оба сигнала по-прежнему остаются взаимно ортогонально-поляризованными, поэтому интерференционные явления отсутствуют, т е. интенсивность выходного сигнала является постоянной величиной, не зависящей от разности фаз 6 между его составляющими. Поляризация же выходного сигнала является периодической функцией этой разности фаз д . Период этой функции, т.е. расстояния между точками с одинаковой поляризацией, равен 2 л . Это дает возможность определить длину волны, плавно меняя разность фаз между ортогональными составляющими выходного сигнала путем регулировки разности электрических длин каналов, по которым они распространяются, и измеряя эту разность между точками с характерной поляризацией,

Пусть h и г - геометрические длины первого и второго каналов соответственно; ni и пг - показатели преломления веществ в этих каналах (считается, что оба канала заполнены изотропными веществами); А - длина волны входного сигнала. Составляющая сигнала, прошедшая через первый канал, приобретает набег фазы I 1 п 1

а другая составляющая, прошедшая по второму каналу, приобретает фазовый набег

,

Если 5 о - разность фаз между составляющими входного сигнала, то разность фаз между сигналами на выходе обоих каналов равна

д д 1 - дг +60 (lin-l2n). О)

Эти сигналы, как указано выше, попадая в общий канал, не интерферируют между собой, оставаясь взаимно ортогонально-поляризованными. От 6 зависит только поляризация выходного сигна- ла, поступающего на анализатор поляризации.

Данным фиксированным значениям четырех параметров И, щ, 2, П2, как видно из формулы (1), соответствует одно значение 5 и, следовательно, одно вполне определенное состояние поляризации выходного сигнала. Изменив эти параметры, получают другое значение фазового сдвига:

( in i-r2n 2). (2)

Ему соответствует новое состояние поляризации выходного сигнала, отличающееся от первого.

Разность д- д имеет следующий вид:

д -д p(lim - hn i)- (2п2 - fan 2).(3)

Когда эта разность достигает величины 2 п , поляризация, соответствующая фазовому сдвигу б , станет точно такой же, что и при сдвиге д . Если зафиксировать в этой точке значения параметров 11, n 1,12. п 2, то можно из выражения (3) определить длину волны исследуемого сигнала по формуле

A (lim - Нгм) ( - , (4)

В частном случае, когда оба канала заполнены воздухом,гн П2 1 и разность фаз д варьируется только изменением длины одного из каналов, например первого, то для А из формулы (4) получают простое выражение

A- li-h,

(5)

т.е. в этом случае измерение А сводится к простому измерению длины.

Формулы (4) и (5) верны, если разность фаз д-д Д(5 In , т.е. параметры li, ni, h, па, I i. n i, . n a, измеряются в двух соседних точках с одинаковой поляризацией. Если же эти величины измеряются в точках, отстоящих друг от друга на целое число периодов, т.е. 2лтп, где m 1,2,3то в этом случае правые части формул (4) и (5) нужно разделить на т. Число периодов т легко находят путем подсчета количества точек выбранной поляризации, находящихся между двумя выбранными точками, при плавном изменении Ад . Если число таких точек р, то m р + 1. Выбирая достаточно большое значение т, можно обеспечить повышениеточности измерения А в m раз, так как относительная погрешность измерения разности геометрических длин каналов, а следовательно, и погрешность измерения А согласно формуле (5) уменьшается в m раз.

Способ осуществляют следующим образом. Сигнал произвольной поляризации, длину волны которого необходимо измерить, через вход прямоугольного излома лу- чевода 1, подается на решетку 2, установленную с возможностью поворота на любой угол (р в плоскости натяжения ее проволок (в плоскости А-А). Решетка 2 разделяет сигнал на две составляющие, одна из которых отражается от решетки 2 в направлении анализатора 5, а другая, пройдя решетку, отражается в том же направлении отражателем 3. Таким образом, обеспечивается необходимая разность хода двух лучей, имеющих взаимно ортогональную поляризацию и, следовательно, необходимую разность фаз. Отражатель расположен

параллельно плоскости решетки 2, позади нее, может поступательно перемещаться параллельно плоскости решетки с помощью механизма перемещения 4, снабженного

отсчетной шкапой.

Анализатор поляризации 5 выполнен в виде решетчатого поляризатора и установлен в отрезке лучевода 6 наклонно к его оси. Для повышения точности отсчета положения отражателя 3, соответствующего выбранному характерному состоянию поляризации на анализаторе 5, азимут р решетки 2 и состояние п между решеткой 2 и отражателем 3 первоначально регулируют так, чтобы получить на выходе преобразователя поляризации (2-3) линейно поляризованный сигнал с электрическим вектором Е, ориентированным параллельно проволокам решетки анализатора 5. В этом

случае на индикаторе 10 регистрируют нулевой сигнал и отмечают показание hi по шкале механизма перемещения 4. Затем, не изменяя азимут р решетки 2, перемещают отражатель 3 до получения вновь нулевого

сигнала на индикаторе 10 и отмечают показание ha по шкале механизма 4. Длина волны А определяется по формуле

30

А |hi

h2|V2

Таким образом, реализуется нулевой метод регистрации, являющийся наиболее чувствительным.

Если m - число периодов повторения поляризации, т.е. число прохождения через нуль сигнала индикатора 10 на интервале hi - ha , то А определяют по формуле

40

А -

I h 1 - h 2 IV2 m

Предлагаемый способ позволяет производить непосредственное измерение длины волны колебаний произвольной поляризации в кваэиоптических трактах с помощью одного устройства в широкой полосе частот. Формула изобретения Способ измерения длины волны, включающий разделение сигнала на два компоцента, направление компонентов по двум канглэм, изменение длины А одного канала, измерение этого изменения AI, сведение компонентов в один канал, о т л и ч а ю щ- и и с я тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых длин волн колебаний произвольном поляризации, сигнал разделяют на два ортогонально-поляризованных компонента, изменение длины Д I измеряют между дсумя одинаковыми состояниями

поляризации результирующего сигнала и где m - число периодов повторения одина- определяют длину волны по формулековых состояний поляризаций на выбранД|ном интервале.

А

m