Пристрій для вимірювання коефіцієнта стоячої хвилі

Пристрій для вимірювання коефіцієнта стоячої хвилі, що містить надвисокочастотний генератор, до виходу якого підключені послідовно з'єднані амплітудний модулятор, надвисокочастотний атенюатор, спрямований відгалужувач відбитої хвилі і антена, низькочастотний генератор, з'єднаний з керуючим входом амплітудного модулятора, надвисокочастотний детектор і цифровий вольтметр, який відрізняється тим, що в нього введені надвисокочастотний ключ, включений між спрямованим відгалужувачем відбитої хвилі і антеною, подільник частоти, вхід якого з єднаний з виходом низькочастотного генератора, а вихід з'єднаний з керуючим входом надвисокочастотного ключа, коло з послідовно з'єднаних вибіркового регульованого підсилювача, настроєного на частоту низькочастотного генератора, амплітудного детектора і коренювального перетворювача, вхід кола підключений до виходу надвисокочастотного детектора, коло з послідовно з'єднаних фільтра верхніх частот, підсилювача змінної напруги і фазочутливого випрямляча, керуючий вхід якого підключений до виходу подільника частоти, коло з послідовно з'єднаних фільтра нижніх частот і підсилювача постійної напруги, входи фільтрів нижніх частот та верхніх частот підключені до виходу коренювального перетворювача, джерело опорної напруги, диференціальний підсилювач, один вхід якого з'єднаний з виходом джерела опорної напруги, інший вхід з'єднаний з виходом фазочутливого випрямляча, інтегратор, включений між виходом диференціального підсилювача і керуючим входом вибіркового регульованого підсилювача, а цифровий вольтметр підключений до виходу підсилювача постійної напруги О 00 (О (О Винахід має відношення до техніки виміру надвисоких частот (НВЧ) і може бути використаний для оцінки відгалужувальної спроможності різноманітних матеріалів і середовищ, наприклад, технологічних розчинів в діапазоні НВЧ по значенню коефіцієнта стоячої хвилі (КСХ) Зміна діелектричних властивостей матеріалів і середовищ в НВЧ діапазоні тісно зв'язана з КІЛЬКІСТЮ води, що в них міститься Застосування апаратури, яка реєструє зміни відбитого від середовища чи матеріалу НВЧ сигналу, дозволяє безконтактне одержувати різноманітну інформацію про стан об'єкту, який контролюється По значенням КСХ можно одержувати інформацію, наприклад, про вологість матеріалу, про концентрацію технологічних розчинів В деяких випадках, базуючись на інформації про значення КСХ, може здійснюватись оцінка стану біологічних об'єктів та діаг ностика деяких внутрішніх захворювань людини (див Хитров Ю А , Шестиперов В А СВЧ в медицине - Обзор по электронной технике, сер І Электроника СВЧ, 1983 Вып 16(998), ст 40-49 ) Коефіцієнт стоячої хвилі визначається відношенням максимального значення напруги (або струму) до мінімального значення напруги (або струму) вздовж однорідної лінії Kx U - a ' |n — lmax'lvin> - ~ |n xU - m В залежності від відгалужувальної спроможності об'єкту Кх змінюється від 1 до с Повному відо биванню від об'єкту сигналу НВЧ відповідає нескінченно великій Кх Відомий пристрій для виміру коефіцієнта стоячої хвилі (див Измерения в электронике Справочник/ В А Кузнецов, Р А Боргов, В М Коневских и др, Под ред В А Кузнецова - М ю 52668 інших елементів двоканального вимірювача відношення напруг, що порівнюються При вимірі Кх по напрузі (КСХН) необхідно введення двох кореневилучаючих перетворювачів, які мають, як правило, низькі метрологічні характеристики Все це зумовлює низьку точність виміру коефіцієнта стоячої ХВИЛІ В основу винаходу покладена задача створення такого пристрою для виміру коефіцієнта стоячої хвилі, в якому введення нових елементів і зв'язків дозволило б забезпечити підвищення точності виміру коефіцієнта стоячої хвилі в області великих значень Поставлена задача вирішується тим, що в к = / П /Ті пристрій для виміру коефіцієнта стоячої хвилі, що ^х V max ' m i n містить надвисокочастотний генератор, до виходу При вимірі Кх>3 мінімальні значення сигналу, якого підключені послідовно з'єднані амплітудний що вимірюється, стають занадто малими у порівмодулятор, надвисокочастотний атенюатор, нанянні з максимальним, і похибка вимірів зростає правлений відгалужувач відбитої хвилі і антена, При Кх>10 похибки виміру одержуються неприпуснизькочастотний генератор, з'єднаний з керуючим тимо великими (більше 15-20%) входом амплітудного модулятора, надвисокочасВідомий також пристрій для виміру коефіцієнтотний детектор і вольтметр, згідно винаходу ввета стоячої хвилі (див Чернушенко А М , Майбородені надвисокочастотний ключ, включений між дин А В Измерение параметров электронных направленим відгалужувачем відбитої хвилі і анприборов дециметрового и сантиметрового диапатеною, дільник частоти, вхід якого з'єднаний з визонов волн / Под ред А М Чернушенко - М Раходом низькочастотного генератора, а вихід з'єддио и связь, 1980, с 99-102), що містить НВЧ гененаний з керуючим входом надвисокочастотного ратор, до виходу якого підключені послідовно ключа, ланцюг з послідовно з'єднаних вибіркового з'єднані амплітудний модулятор, НВЧ атенюатор, регульованого підсилювача, налаштованого на направлений відгалужувач відбитої хвилі і антена, частоту низькочастотного генератора, амплітудний низькочастотний генератор, з'єднаний з керуючим детектор і кореневилучаючий перетворювач, вхід входом амплітудного модулятора, НВЧ детектор і ланцюга підключено до виходу надвисокочастотвольтметр Крім того, пристрій містить направленого детектора, ланцюг з послідовно з'єднаних ний відгалужувач хвиль, що падають, другий НВЧ фільтру верхніх частот, підсилювача змінної надетектор, підключений до виходу направленого пруги і фазочутливого випрямляча, керуючий вхід відгалужувача хвиль, що падають, і блок обчисякого підключено до виходу дільника частоти, лалення відношення двох напруг, з'єднаний входами нцюг з послідовно з'єднаних фільтру нижніх частот з виходами двох НВЧ детекторів, а вольтметр піді підсилювача постійної напруги, входи фільтрів ключений до виходу блоку обчислення двох нанизької частоти та високої частоти підключені до пруг виходу кореневилучаючого перетворювача, джеВ відомому пристрої безпосередньо вимірюрело опорної напруги, диференціальний підсилюється коефіцієнт відбивання з співвідношення вач, один вхід якого з'єднаний з виходом джерела опорної напруги, інший вхід з'єднаний з виходом фазочутливого випрямляча, інтегратор, включений де Ро - потужність відбитої хвилі, між виходом диференціального підсилювача і кеРп - потужність хвилі, що падає Коефіцієнт руючим входом вибіркового регульованого підсистоячої хвилі визначається побічно по формулі лювача, а вольтметр підключений до виходу підсилювача постійної напруги Энергоатомиздат, 1987, ст 219-221), що містить генератор НВЧ, до виходу якого підключені послідовно з'єднані вентиль, атенюатор і вимірювальна ЛІНІЯ, що обладнана кареткою з рухомим зондом і елементами погодження, НВЧ детектор, підключений до виходу зонда, і індикатор, з'єднаний з виходом атенюатора До виходу вимірювальної лінії підключений об'єкт, що досліджується Вимір малих і середніх значень коефіцієнта стоячої хвилі (Кх3 Крім того, похибка виміру Кх різко збільшується при великих значеннях Кх(>10), бо знаменник розрахункової формули прагне до нуля і невеликі похибки в значеннях коефіцієнта відбивання Г призводять до великих похибок виміру Кх Суттєвим джерелом похибок є неминуча нестабільність і неідентичність каналів відбитих хвиль і хвиль, що падають Це зумовлено передусім нерівністю коефіцієнтів передач направлених відгалужувачів хвиль, що падають і відбитих хвиль, ВІДМІННІСТЮ в чутливості двох НВЧ детекторів, двох згладжуючий фільтрів, підсилювачів і Введення в НВЧ тракт тільки одного направленого відгалужувача з НВЧ ключем, працюючим на відбивання, включення в одноканальний тракт відпрацювання відбитих НВЧ коливань вибіркового регульованого підсилювача, налаштованого на частоту модуляції сигналу, що випромінюється, амплітудного детектора і одного кореневилучаючого перетворювача, розподіл вихідного сигналу одноканального тракта на змінну і постійну складові фільтрами верхніх і нижніх частот ВІДПОВІДНО, управління коефіцієнтом підсилення вибіркового підсилювача різницевою напругою, яка отримана в результаті порівняння випрямленої синхронним детектором змінної напруги зі стабілізованою опорною напругою, управління НВЧ ключем і синхронним детектором вихідною напругою дільника частоти, підключеного до низькочастотного генератора 52668 модулюючої частоти і вимірювання постійної складової напруги, виділеної фільтром, забезпечують лінійну залежність вихідної постійної напруги від коефіцієнта, стоячої хвилі, що вимірюється і виключають вплив нестабільності параметрів одноканального перетворювального тракта і непостійності потужності НВЧ генератора, що забезпечує підвищення точності виміру коефіцієнта стоячої хвилі, особливо в області великих значень На кресленні приведена функціональна схема пристрою для виміру коефіцієнта стоячої хвилі Пристрій містить НВЧ генератор 1, до виходу якого підключені послідовно з'єднані амплітудний модулятор 2, НВЧ атенюатор 3, направлений відгалужувач 4 відбитої хвилі, НВЧ ключ 5 і антена 6, що опромінює об'єкт 7 До виходу направленого відгалужувача 4 підключені послідовно з'єднані НВЧ детектор 8, вибірковий регульований підсилювач 9, амплітудний детектор 10 і кореневилучаючий перетворювач 11 До виходу кореневилучаючого перетворювача підключені послідовно з'єднані фільтр 12 верхніх частот, підсилювач 13 змінної напруги і фазочутливий випрямляч 14, вихід якого з'єднаний з одним входом диференціального підсилювача 15, інший вхід якого з'єднаний з виходом джерела 16 стабілізованої опорної напруги До виходу диференціального підсилювача підключений вхід інтегратора 17, вихід якого з'єднаний з керуючим входом вибіркового регульованого підсилювача 9 До виходу кореневилучаючого перетворювача 11 також підключені послідовно з'єднані фільтр 18 нижніх частот, підсилювач 19 постійної напруги і цифровий вольтметр 20 Низькочастотний генератор 21 з'єднаний з керуючим входом амплітудного модулятора 2 і з входом дільника частоти 22, вихід якого з'єднаний з керуючими входами НВЧ ключа і синхронного детектора Пристрій для виміру коефіцієнта стоячої хвилі працює таким чином Сигнал НВЧ генератора 1 надходить на амплітудний модулятор 2, де модулюється напругою низькочастотного генератора 21 Амплітудномодульований НВЧ сигнал з глибиною модуляції m через НВЧ аттенюатор 3 і направлений відгалужувач 4 відбитої хвилі надходить на НВЧ ключ 5, що виконаний на pin-діодах НВЧ ключ управляється низькочастотною прямокутною напругою, що формується дільником частоти 22 з напруги низькочастотного генератора 21 В закритому стані НВЧ ключ 5 працює по принципу відбивання НВЧ сигналу Коли ключ відкритий, модульований НВЧ сигнал від НВЧ атенюатора 3 надходить в антену 6 і випромінюється в направленні досліджуємого об'єкту 7 Відбитий від об'єкту модульований сигнал знов надходить на антену 6 і через відкритий НВЧ ключ 5 влучає на вхід направленого відгалужувача 4 відбитої хвилі Відгалужений модульований НВЧ сигнал детектується НВЧ детектором 8, в результаті чого на його виході виділяється напруга низькочастотної огинаючої Амплітуда напруги огинаючої Ui при квадратичній характеристиці НВЧ детектора визначається виразом U i = k i k 2 S i m 2 r 2 P 0 , (1) де кі - коефіцієнт передачі атенюатора З, кг - коефіцієнт передачі направленого відга лужувача 4, Si - чутливість НВЧ детектора 8, Г - коефіцієнт відбивання об'єкту 7, Ро - потужність НВЧ генератора 1 Коли НВЧ ключ 5 закривається, модульований НВЧ сигнал з виходу атенюатора 3 повністю від нього відбивається і влучає також на вхід направленого відгалужувача 4 Амплітуда напруги огинаючої ІІ2 при цьому буде мати вигляд U 2 =kik 2 Sim 2 Po(2) Так як частота комутації ключа 5 менше частоти низькочастотного генератора завдяки дільнику частоти 22, напруги огинаючих на виході НВЧ детектора 8 при безперервній роботі НВЧ ключа 5 будуть мати вигляд ПОСЛІДОВНОСТІ пакетів низькочастотних напруг з амплітудами Ui і ІІ2 Пакети напруг огинаючої посилюються вибірковим підсилювачем 9 низької частоти, що настроєний на частоту генератора 21 Посилена напруга знов детектується по амплітуді детектором 10 На виході амплітудного детектора 10 формуються відеоімпульси з амплітудами 2 2 2 U 4 =kik 2 Sik3m Po(4) де кз - регульований коефіцієнт підсилення підсилювача 9, S2 - чутливість амплітудного детектора 10 ПОСЛІДОВНІСТЬ відеоімпульсів функціонально перетворюється в кореневилучаючому перетворювачі 1 1 , в результаті чого амплітуди відеоімпульсів приймають значення Uft = S n m , (6) v де - результуюча крутість перетворення одноканального тракта, S3 - чутливість кореневилучаючого перетворювача 11 З ПОСЛІДОВНОСТІ відеоімпульсів з амплітудами Us і U6 фільтром 12 верхніх частот виділяється змінна складова напруги з частотою комутації і амплітудою U 7 = k4 2 = 0,5k 4 S 0 m(i - ) 4 0 ( (7) - коефіцієнт передачі фільтру 12 де Виділена фільтром напруга посилюється підсилювачем 13 змінної напруги і випрямляється синхронним детектором 14, що, як і НВЧ ключ, управляється вихідною напругою дільника частоти 22 Випрямлена напруга приймає вигляд U 8 =k 5 k 6 U 7 , (8) да кб - коефіцієнт підсилення підсилювача 13, кє - коефіцієнт передачі синхронного детектора 14 Напруга Us прямує на один вхід диференціального підсилювача 15, на інший вхід якого прямує опорна напруга Uo=const зі стабілізованого джерела напруги 16 Різницева напруга з виходу диференціального підсилювача заряджає інтегратор 17, вихідна напруга якого прямує на керуючий вхід регульованого вибіркового підсилювача 9 Направлення регулювання коефіцієнта підсилення кз вибране таким, щоб різниця вхідних напруг диференціального підсилювача 15 прагнула до нуля 52668 При досягненні рівності вхідних напруг диференціального підсилювача маємо k5k6U7=U0, (9) або з урахуванням виразу (7) одержуємо U0=0,5k4k5k6S0m(i-r) ^0 ~ (10) Результуючу крутість перетворення одноканального тракта So уявимо в вигляді де ° V 1 2 1 2 з _ П 0 С Т | й н а нерегульована частина крутості перетворення Підставляючи значення So з виразу (11) в (10) і вирішуючи отримане рівняння відносно коефіцієнта підсилення кз регульованого підсилювача, одержуємо „__f 2LJ 0 k4k5k6S0(i-r) f (12) Таким чином, коефіцієнт підсилення вибіркового підсилювача 9 автоматично приймає значення (12) З ПОСЛІДОВНОСТІ відеоімпульсів з амплітудами Us і ІІ6 фільтром 18 нижніх частот виділяється також постійна складова напруги ,, _ k U 5 + U 6 и 9 - к7 ~ 2 (13) де к7 - коефіцієнт передачі фільтру 18 нижніх частот Постійна напруга Ug посилюється підсилювачем 19 постійної напруги і вимірюється вольтметром 20 Напруга, що вимірюється J U10 = ( 10 з урахуванням значення коефіцієнта підсилення кз з співвідношення (12) приймає вигляд ,, _ к7к81 + U (15) Коефіцієнт передачі фільтру 12 верхніх частот вибирають рівним коефіцієнту передачі фільтру 18 нижніх частот (k4=k7), а коефіцієнт підсилення підсилювача 13 змінної напруги з урахуванням коефіцієнта передачі синхронного детектора 14 встановлюють рівним коефіцієнту підсилення підсилювача 19 постійної напруги (ksk6=ks) При виконанні цих умов напруга ,що вимірюється вольтметром 20 стає рівним м 1 + Г 1-Г (16) Так як опорна напруга Uo=const, то напруга, що вимірюється прямопропорційна коефіцієнту стоячої хвилі U1O=KXUO(17) Межі виміру Кх змінюються зміною опорної напруги Uo Завдяки автоматичному регулюванню коефіцієнта підсилення вибіркового підсилювача 9 на результат виміру не впливає нестабільність параметрів елементів, що входять в одноканальний тракт перетворення (k2,Si,k3,S2,S3) Рівень опромінювання об'єкту 7 задається атенюатором З, але непостійність його коефіцієнта передачі кі також не впливає на результат виміру Не впливає також на результат виміру і непостійність потужності Ро НВЧ генератора 1 Так як коефіцієнт Кх в розглянутому пристрої вимірюється безпосередньо, то точність виміру з зростанням його значення не знижується Тому коефіцієнт стоячої хвилі доцільно використовувати для виміру великих розсогласувань з об'єктом, що досліджується (Кх>10) У порівнянні з відомими приладами з двоканальною структурою одноканальний вимірювач Кх не вимагає підбору однакових елементів направлених відгалужувачів, НВЧ детекторів, підсилювачів, кореневилучаючих перетворювачів і інших парних елементів з нестабільними характеристиками Так, НВЧ детектори, навіть при цілком ідентичних конструкціях детекторних секцій і однакових вольтамперних характеристиках ДІОДІВ ПО постійному струму в діапазоні НВЧ можуть сильно відрізнятися по своєму повному опору, а отже, і по чутливості Ще більш важко забезпечити ідентичність двох кореневилучаючих перетворювачів що реалізуються з допомогою нелінійних елементів Шкала вольтметру 20 проградуйована у ВІДПОВІДНОСТІ з формулою kv = (18) де Рп - потужність хвилі, що падає, Рот - потужність відбитої хвилі В ВІДПОВІДНОСТІ з виразом (17) шкала вимірювача Кх лінійна і рівномірна в відзнаці від нерівномірних шкал відомих вимірювачів Дослідження показали, що похибка одноканальних вимірювачів Кх не перевищує ±0,5% в діапазоні значень 3-50 на частотах 0 5-ЗОГГЦ 52668 ФІГ. ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24 10