Спосіб вимірювання частоти та відхилення частоти надвисокочастотних коливань сигналів

УКРАЇНА (19) UA (11) 89211 (13) C2 (51) МПК (2009) G01R 23/00 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ОПИС ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ДО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД (54) СПОСІБ ВИМІРЮВАННЯ ЧАСТОТИ ТА ВІДХИЛЕННЯ ЧАСТОТИ НАДВИСОКОЧАСТОТНИХ КОЛИВАНЬ СИГНАЛІВ 2 q s A / кр * h1 2q h* 1 A 2 / кр 2s , q s кр де q sin * h1 cos * * 2x1 h1 s sin h* cos 2 2x* h* 2 2 ; ; A - максимальна крутість залежності відношення потужностей двох термодатчиків; та кр - довжина хвилі та критична довжина хвилі до широкої стінки хвилеводу; C2 (13) 89211 h * 0,1 його відстань x * від ребра хвилеводу 2 2 складає 0,28. 5. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при поперечному розмірі другого термодатчика * h 2 0,15 його відстань x * від ребра хвилеводу 2 складає 0,26. 6. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при поперечному розмірі другого термодатчика * 0,2 його відстань x * від ребра хвилеводу h2 2 складає 0,23. 7. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при поперечному розмірі другого термодатчика * h 2 0,25 його відстань x * від ребра хвилеводу 2 складає 0,21. 8. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при поперечному розмірі другого термодатчика h * 0,3 його відстань x * від ребра хвилеводу 2 2 складає 0,19. 9. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при поперечному розмірі другого термодатчика * 0,4 його відстань x * від ребра хвилеводу h2 2 складає 0,16. (11) шовують на широкій стінці хвилеводу, далі вимірюють значення потужностей термодатчиків, відношення яких перераховують в довжину хвилі з наступним перерахуванням в частоту сигналу або у відхилення частоти при відомій або невідомій основній частоті сигналу за формулою: * h1 та h * - поперечні розміри першого та другого 2 термодатчиків; * x 1 та x * - відстані від ребра хвилеводу до краю 2 першого та другого термодатчиків на широкій стінці хвилеводу. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при поперечному розмірі другого термодатчика * h 2 0,06 його відстань x * від ребра хвилеводу 2 складає 0,3. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при поперечному розмірі другого термодатчика * h* 2 0,08 його відстань x 2 від ребра хвилеводу складає 0,29. 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при поперечному розмірі другого термодатчика UA (21) a200708019 (22) 16.07.2007 (24) 11.01.2010 (46) 11.01.2010, Бюл.№ 1, 2010 р. (72) ЗАХАРОВ ІГОР ПЕТРОВИЧ, СЕРГІЄНКО МАРИНА ПЕТРІВНА, ЧУРЮМОВ ГЕННАДІЙ ІВАНОВИЧ (73) ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ (56) SU 1798717 A1; 28.02.1993 SU 1242844 A1; 07.07.1986 RU 2017162 C1; 30.07.1994 DE 10113786 A1; 24.10.2002 DE 2603730 A1; 05.08.1976 GB 2179773 A; 11.03.1987 US 4533867; 06.08.1985 US 6598005 B1; 22.07.2003 (57) 1. Спосіб вимірювання частоти та відхилення частоти надвисокочастотних коливань сигналу, що включає вимірювання частоти сигналу за допомогою двох термодатчиків, який відрізняється тим, що два термодатчики з різними залежностями потужності сигналу від частоти, різними поперечним розмірами та максимальною крутістю залежності A / кр відношення їх потужностей розта (19) 1 3 89211 4 10. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при h * 0,6 його відстань x * від ребра хвилеводу 2 2 поперечному розмірі другого термодатчика складає 0,17. * 0,5 його відстань x * від ребра хвилеводу h2 2 12. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при складає 0,15. поперечному розмірі другого термодатчика 11. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при h * 0,7 його відстань x * від ребра хвилеводу 2 2 поперечному розмірі другого термодатчика складає 0,15. Винахід належить до галузі вимірювальної техніки й призначений для вимірювання частоти та відхилення частоти надвисокочастотних (НВЧ) коливань в хвилеводі в міліметровому діапазоні довжин хвиль. Відомий спосіб вимірювання частоти НВЧ коливань в хвилеводі за допомогою хвилевимірювача на основі об'ємного резонатору, що перестроюється [Измерения на миллиметровых и субмиллиметровых волнах: Методы и техника / Р.А. Валитов, С.Ф. Дюбко, Б.И. Макаренко и др.; Под ред. Р.А. Валитова, Б.И. Макаренко. - М.: Радио и связь, 1984, С. 206-210]. Недоліком цього способу є неможливість вимірювання частоти сигналу при підключенні реального навантаження, оскільки хвилевимірювач приєднується замість нього. Найбільш близький до запропонованого способу є спосіб вимірювання частоти НВЧ коливань за допомогою теплової вимірювальної стінки [В.М. Волков. Проектування засобів вимірювання прохідної потужності: Навч. посібник. - Харків: ХТУРЕ, 2000, С. 115-117], в якій як датчик (поглинаюча стінка) використана константанова фольга, яка впаяна у вузьку стінку хвилевода, як термодатчики задіяні дві хромель-копелеві (робоча та компенсаційна) мікротермопари, різниця сигналів яких реєструється мікроамперметром або двокоординатним самописцем, що синхронізується з переміщенням термозондів впродовж хвилеводу. Недоліками способу є необхідність складного урахування систематичних похибок, викликаних викривленням поглинаючою стінкою та контактним термодатчиком картини температурного поля в хвилеводі, низька точність механічного переміщення термозондів впродовж вузької стінки хвилевода, а також неможливість автоматизувати процес вимірювання. Технічною задачею винаходу є підвищення точності вимірювання частоти та відхилення частоти надвисокочастотних коливань. Ця задача вирішена таким чином. У способі вимірювання частоти та відхилення частоти надвисокочастотних коливань, що включає вимірювання частоти сигналу за допомогою двох термодатчиків, згідно винаходу, повинна виконуватись умова, що датчики мають різні залежності потужності сигналу від частоти, що забезпечується розташуванням їх на широкій стінці хвилеводу та поперечним розміром цих датчиків, а також забезпечення максимальної крутості залежності А( / кр) - відношення потужностей датчиків, далі вимірюють значення потужностей, відношення яких перераховують в довжину хвилі з наступним перерахуванням в частоту сигналу або у відхилення частоти за формулою q s A / кр h1* 2q h2* 1 A / кр 2s q s кр де q sin * h1 cos * 2 x1 * h1 s sin h * cos 2 2x * 2 h* 2 у випадках, коли основна частота сигналу відома або невідома. Причому: при поперечному розміру другого датчика h2=0,06 його відстань х2 від ребра хвилеводу має бути 0,3; при поперечному розміру другого датчика h2=0,08 його відстань х2 від ребра хвилеводу має бути 0,29; при поперечному розміру другого датчика h2=0,1 його відстань х2 від ребра хвилеводу має бути 0,28; при поперечному розміру другого датчика h2=0,15 його відстань х2 від ребра хвилеводу має бути 0,26; при поперечному розміру другого датчика h2=0,2 його відстань х2 від ребра хвилеводу має бути 0,23; при поперечному розміру другого датчика h2=0,25 його відстань х2 від ребра хвилеводу має бути 0,21; при поперечному розміру другого датчика h2=0,3 його відстань х2 від ребра хвилеводу має бути 0,19; при поперечному розміру другого датчика h2=0,4 його відстань х2 від ребра хвилеводу має бути 0,16; при поперечному розміру другого датчика h2=0,5 його відстань х2 від ребра хвилеводу має бути 0,15; при поперечному розміру другого датчика h2=0,6 його відстань х2 від ребра хвилеводу має бути 0,17; при поперечному розміру другого датчика h2=0,7 його відстань х2 від ребра хвилеводу має бути 0,15. На Фіг. показано розміщення термодатчиків на 5 89211 6 хвилеводі. В таблиці наведені параметри розміщення 1 - хвилевод; 2 - перший термодатчик; 3 - друдругого термодатчика. гий термодатчик. Таблиця h* 2 0,06 0,08 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 х* 2 0,3 0,29 0,28 0,26 0,23 0,21 0,19 0,16 0,15 0,17 0,15 Спосіб базується на вимірюванні потужності, що проходить по хвилеводу до навантаження та розсіюється на ділянках широкої стінки хвилевода. Для цього в теплових перетворювачах з пог P RsP10 h*l кр де R s 1 2 1 2 2 ZC10 b 1 линаючою стінкою використовують два чутливих елемента (датчика). Потужність, що розсіюється на прямокутній ділянці широкої стінки хвилевода, визначається з виразу sin 2 кр h* * h1,2 2 1 x* h* (1) Для визначення довжини хвилі до широкої стінки хвилевода приєднуються два датчика однакової довжини l=i в/2, і=1, 2, 3,.... Відношення потужностей Р1( / кр) та Р2( / кр), що розсіюється на цих датчиках, стінки з питомою провідністю ; - глибина скінслою; Z10, Р10 - характеристичний опір та потужність хвилі Н10; 2 , кр , - довжина хвилі та 2 2 m n a b критична довжина хвилі; а b - розміри поперечного розрізу хвилевода (а>b); m, n - індекси хвилі (для хвилі H10 критична довжина кр=2a); l - продольний розмір датчика; h*=h/a; h - поперечний розмір датчика; x*=х/а; х - відстань від ребра хвилевода до краю датчика на широкій стінці хвилевода. кр cos 2 кр - поверхневий опір поглинаючої p1,2 h* 2 1 2 2 кр P1 A кр P2 кр кр p1 p2 кр (2) кр де sin * h1,2 * h1,2 cos * x1,2 * h1,2 (3) 2 кр Таким чином зникає залежність від фізичних характеристик та деяких геометричних параметрів хвилевода. Залежність А( / кр) повинна бути суттєвою для забезпечення більш точного визначення частоти та відхилення частоти сигналу. Це забезпечується за рахунок такого розміщення датчиків, при якому одна з частотних залежностей (1) набагато відрізняється від іншої. Вид залежності А( / кр) повністю визначається поперечними розмірами датчиків та їх розташуванням на широкій стінці хвилевода (параметрами * * h1,2 і х12 ). Для зниження похибки від неточності , установки датчиків пропонується один з них роз міщувати по всій ширині стінки хвилевода, що достатньо легко реалізується в міліметровому діапа* * зоні хвиль, тобто х1 0 , h1 1 . Вимоги до геометричних параметрів другого датчика витікають з технічних можливостей та точності їх виготовлення та необхідності забезпечення максимальної (задовільної) крутості залежності А( / кр). Вказані вимоги можуть бути виконані при параметрах, що наведені в табл. Визначення частоти сигналу. Для визначення частоти сигналу використовуємо вираз (2), з якого витікає 7 89211 q s A кр / кр h1* 2q 8 h2* 1 A A sin * h1 cos sin h* cos 2 2x* h* 2 2 A * * 2x1 h1 s 2s 1 кр A A W кр dA де W де - фазова швидкість розповсюдження електромагнітних коливань в середовищі (для вільного простору =с - швидкість розповсюдження світла). Визначення відхилення частоти сигналу. Якщо частота сигналу f0 (довжина хвилі 0) невідома, відхилення частоти f визначається наступним чином. Розраховуються значення А( 1/ кр) і А( 2/ кр) та визначаються за кожним з них частоти f1 та f2 згідно з формулами (4), (5), після чого отримується різниця між цими частотами f=|f2-f1|. В цьому випадку f0 f2 2 ; f f 2f 0 (6) Якщо частота сигналу f0 (довжина хвилі 0) відома, алгоритм визначення відхилення частоти наступний. Розраховується значення А( / кр), за яким згідно з запропонованим раніше алгоритмом визначається частота f (за формулами (4), (5)). Відхилення частоти в цьому випадку f f f0 f0 (8) (7) Однак при цьому з'являється похибка визначення довжини хвилі за виразом (4), що пов'язана з неточним визначенням А( / кр), внаслідок нелінійних перетворень. З метою запобігання цього можна використати наступний алгоритм. За виразом (2) визначаються А( 0/ кр) та А( 1/ кр), при 1, що має відхилення від 0, й розраховується різниця між ними, тобто (9) кр (5) f1 0 кр З іншого боку, З виразу (4) не важко визначити частоту сигналу f (4) q s де q / кр кр кр . d кр Шляхом диференціювання виразу (2) можна отримати 2 W кр h* p 2 2 * h1 A h* 2 кр кр (10) s q кр де q та s отримані з виразу (4). З формули (10) розраховується W( 0/ довжині хвилі 0. З (9) витікає, що кр) при A кр W (11) кр де А визначено за результатами експерименту з формули (7). Різниця частот f визначається за формулою (5). Відхилення частоти f f f0 (12) Перевагою даного алгоритму порівняно з попереднім є відсутність похибки, що виникає при перерахуванні виразу (2) в (4) через неточне визначення А( / кр). 9 Комп’ютерна верстка О. Гапоненко 89211 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601