Пристрій для вимірювання потужності сигналів надвисокого частотного діапазону на газорозрядному діоді

УКРАЇНА (19) UA 01,11363 (із» U (51)7GO1R21/O4 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ] НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ОПИС ДО ДЕКЛАРАЦІЙНОГО ПАТЕНТУ НА КОРИСНУ МОДЕЛЬ видається під відповідальність власника патенту (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ ПОТУЖНОСТІ СИГНАЛІВ НАДВИСОКОГО ЧАСТОТНОГО ДІАПАЗОНУ НА ГАЗОРОЗРЯДНОМУ ДІОДІ (21)и200506490 • * г (22)01.07.2005 (24)15.12.2005 (46) 15.12.2005, Бюл. № 12, 2005 р. (72) Панекін Микола Панасович, Микиткж Олександр Григорович, Самков Олексій Вікторович, Харченко Олександр Володимирович (73) ДЕРЖАВНИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ АВІАЦІЇ (57) 1. Пристрій для вимірювання потужності сигналів надвисокого частотного діапазону на газорозрядному діоді, що містить хвилеводну вимірювальну камеру, узгоджувальний елемент зі штоком переміщення, газорозрядний діод, релаксаційний генератор пилкоподібної напруги, при цьому виводи газорозрядного діода з'єднані зі входом релаксаційного генератора пилкоподібної напруги, який відрізняється тим, що він додатково містить режекторний фільтр низької частоти, електронно лічильний вимірювач часових інтервалів, джерело електричного живлення, при цьому вхід режекторного фільтра низької частоти з'єднаний з виходом релаксаційного генератора пилкоподібної напруги, а вихід режекторного фільтра низької частоти з'єднаний зі входом електронно-лічильного вимірювача часових інтервалів, причому релаксаційний генератор пилкоподібної напруги, джерело електричного живлення, режекторний фільтр низької частоти, електронно-лічильний вимірювач часових інтервалів розміщені в одному корпусі. 2. Пристрій для вимірювання потужності сигналів надвисокого частотного діапазону на газорозрядному діоді за п.1, який відрізняється тим, що корпус на передній панелі містить елементи управління режимом роботи пристрою і цифровий індикатор для відліку значення вимірюваної' потужності сигналів надвисокого частотного діапазону. D Є? Корисна модель відноситься до галузі радіотехніки, зокрема до засобів вимірювальної техніки, а саме до засобів вимірювання потужності сигналів надвисокого частотного діапазону. Відомий пристрій для індикації' потужності сигналів надвисокого частотного діапазону, який містить газорозрядний діод, що розміщений в хвилеводі в електромагнітному полі сигналів надвисокого частотного діапазону, потужність яких індицірується [1]. Недоліком відомого пристрою є те, що він може використовуватися тільки як Індикатор наявності потужності сигналів надвисокого частотного діапазону, а не засіб для вимірювання. Найбільш близьким технічним рішенням, яке обране за прототип, є пристрій для вимірювання потужності сигналів надвисокого частотного діапазону на газорозрядному діоді, що містить хвилеводну вимірювальну камеру, узгоджувальний елемент зі штоком переміщення, газорозрядний діод, релаксаційний генератор пилкоподібної напруги, при цьому виводи газорозрядного діода з'єднані зі входом релаксаційного генератора пилкоподібної напруги [2]. Недоліками пристрою для вимірювання потужності сигналів надвисокого частотного діапазону, що обрано за прототип, є те, що при вимірюванні потужності імпульсно-модульованих сигналів надвисокого частотного діапазону, яки дєтектуються газорозрядним діодом, утворюється послідовність відеоімпульсів, яка накладається на пилкоподібну напругу релаксаційного генератора, і без заглушування їх спектра на виході релаксаційного генератора приводить до зриву лічби частоти сигналу релаксаційного генератора електронно-лічильним частотоміром, тобто до неоднозначності результату вимірювання потужності; релаксаційні генератори на газорозрядних діодах стабільно працюють на низьких частотах до декілька десятків кГц, а в даному діапазоні похибка вимірювання частоти електронно-лічильним частотоміром за рахунок дискретності значно більше (на 1-2 порядки), чим при вимірюванні періоду сигналу; в прототипі не визначена аналітична залежність функції перетворювання потужності сигналів надвисокого СО со со 11363 частотного діапазону, яка вимірюється, в інформаційний сигнал на виході релаксаційного генератора пилкоподібної напруги від його параметрів і факторів, що на них впливають, без чого неможливо дати чисельну оцінку сумарної похибки результату вимірювання потужності сигналів надвисокого частотного діапазону. В основу корисної' моделі покладена задача прототипу забезпечить підвищення точності результатів вимірювання і можливість застосування пристрою як засобу вимірювання потужності сигналів надвисокого частотного діапазону, що має нормовані метрологічні характеристики, шляхом усунення недоліків прототипу. Суть корисної моделі для вимірювання потужності сигналів надвисокого частотного діапазону на газорозрядному діоді, що містить хвилеводну вимірювальну камеру, узгоджувальний елемент зі штоком переміщення, газорозрядний діод, релаксаційний генератор пилкоподібної напруги, при цьому виводи газорозрядного діода з'єднані зі входом релаксаційного генератора пилкоподібної напруги, досягається тим, що він додатково містить корпус, режекторний фільтр низької частоти, електронно-лічильний вимірювач часових інтервалів, джерело електричного живлення, при цьому вхід режекторного фільтра низької частоти з'єднаний зі входом генератора пилкоподібної напруги, вихід режекторного фільтра низької частоти з'єднаний зі входом електронно-лічильного вимірювача часових інтервалів, причому релаксаційний генератор пилкоподібної напруги, джерело електричного живлення, режекторний фільтр низької частоти, електронно-лічильний вимірювач часових інтервалів розміщені в одному корпусі. Суть корисної моделі досягається також й тим, що корпус на передній панелі містить елементи управління режимом роботи пристрою і цифровий індикатор для відліку значення вимірюваної потужності сигналів надвисокого частотного діапазону. Порівняння технічного рішення, яке заявляється, із прототипом, дозволяє зробити висновок, що пристрій для вимірювання потужності сигналів надвисокого частотного діапазону на газорозрядному діоді, який заявляється, відрізняється тим, що він додатково містить корпус, режекторний фільтр низької частоти, електронно-лічильний вимірювач часових інтервалів, джерело електричного живлення, при цьому вхід режекторного фільтра низької частоти з'єднаний з виходом релаксаційного генератора пилкоподібної напруги, а вихід режекторного фільтра низької частоти з'єднаний зі входом електронно-лічильного вимірювача часових інтервалів, причому релаксаційний генератор пилкоподібної напруги, джерело електричного живлення, режекторний фільтр низької частоти, електронно-лічильний вимірювач часових інтервалів розміщені в одному корпусі, на передній панелі якого розміщені елементи управління режимом роботи пристрою і цифровий індикатор для відліку значення вимірюваної потужності сигналів надвисокого частотного діапазону. Таким чином, пристрій для вимірювання потужності сигналів надвисокого частотного діапазону на газорозрядному діоді, який заявляється, відповідає критерію винаходу "новизна". Суть корисної моделі пояснюється за допомогою ілюстрацій, де: на фіг.1 наведена структурна схема пристрою для вимірювання потужності сигналів надвисокого частотного діапазону на газорозрядному діоді, що заявляється, на фіг.2 наведені часові діаграми сигналів при роботі релаксаційного генератора пилкоподібної напруги, на фіг.3-10 наведені осцилограми вольт-ампер них характеристик газорозрядного діода в умовах сумісної дії пилкоподібної напруги на електродах газорозрядного діода і різних значень потужності сигналів надвисокого частотного діапазону, яка діє на плазму газового розряду. Пристрій для вимірювання потужності сигналів надвисокого частотного діапазону на газорозрядному діоді (див. фіг.1) як варіант схемноконструктивного виконання, що заявляється, містить: хвилеводну вимірювальну камеру 1, газорозрядний діод 2, який є елементом релаксаційного генератора, узгоджувальний елемент зі штоком переміщення 3, релаксаційний генератор пилкоподібної напруги 4, що зібраний на резисторах R1, R2 і ємності С1, режекторний фільтр 5, електронно-лічильний вимірювач часових інтервалів 6, джерело електричного живлення 7, корпус пристрою 8, елементи управління режимом роботи пристрою і цифровий індикатор для відліку значення вимірюваної потужності сигналів надвисокого частотного 9. Хвилеводна вимірювальна камера 1 виконана аналогічно існуючим стандартним термісторним камерам типу М5 [3]. Газорозрядний діод 2 розміщується в хвилеводному тракті в області максимальної напруженості електричного поля, що забезпечується узгоджувальний елементом зі штоком переміщення 3. Виводи газорозрядного діода закріплюються, наприклад, цанговими утримувачами, яки проходять крізь прохідні ізолятори в отворах в середині широких стінок хвилеводу. Конструктивно релаксаційний генератор пилкоподібної напруги 4, режекторний фільтр 5, вимірювач часових інтервалів 6 та джерело електричного живлення 7 розміщені в одному корпусі 8, який на передній панелі містить елементи управління режимом роботи пристрою і цифровий індикатор для відліку значення вимірюваної потужності сигналів надвисокого частотного діапазону. Виводи електродів газорозрядного діода 2 з'єднуються з релаксаційним генератором 4 роз'ємним кабелем. Пристрій для вимірювання потужності сигналів надвисокого частотного діапазону працює таким чином. На фіг.2 наведені часові діаграми сигналів при роботі релаксаційного генератора пилкоподібної напруги, в якому (див. фіг.і) постійна зарядного кола зр=П1С1 значно більш постійної розрядного кола ,iap=R2C1. Дані параметри визначають період сигналу перетворювача Т= ар+ рвр, який буде мати найбільше значення Ті при відсутності дії електромагнітного поля сигналів надвисокого частотного діапазону на плазму розряду діода 2, б 11363 збудженого пилкоподібною напругою, яка подається з конденсатора С1 на електроди газорозрядного діода 2 (див. фіг. 1). Імпульсні сигнали релаксаційного генератора, що містять в своєму параметрі (періоді слідкування) вимірювальну інформацію про значення потужності сигналі надвисокого частотного діапазону, знімаються з розрядного резистора R2 і крізь режекторний фільтр 5 для заглушування спектру відеосигналів від детектування Імпульсно-модульованих сигналів надвисокого частотного діапазону, потужність яких вимірюється, поступають в вимрщршадчїсавагаал^рв^геагіЬрювача відповідає динамічному режиму роботи при відсутності потужності сигналів надвисокого частотного діапазону і відповідає напруги запалювання розряду ІЬ-і, в даному випадку цифровий індикатор вимірювача часових інтервалів показує нульове значення потужності сигналів надвисокого частотного діапазону. При подаванні сигналів РНВч надвисокого частотного діапазону на вхід вимірювальної камери електромагнітне поле буде взаємодіяти з плазмою газового розряду, збудженого пилкоподібною напругою, яка подається на електроди діоду 2 з конденсатора С1, напруга запалювання розряду буде зменшуватися до значення U32, і період імпульсних сигналів генератора-перетворювача також буде зменшуватися до значення Т2, тобто пилкоподібна напруга буде автоматично стежити за значенням потужності сигналів надвисокого частотного діапазону, що вимірюється. Газорозрядні прилади стабільно працюють в діапазоні низьких частот до декілька десятків кГц, тому у даному випадку доцільно вимірювати період низькочастотного сигналу, а не частоту (як у прототипі), оскільки похибка електроннолічильного вимірювача часових інтервалів за рахунок дискретності підрахування значно (на 1-2 порядки) менше, чим при вимірюванні частоти у даному діапазоні. Період Тг сигналу перетворювача відповідає режиму пристрою "вимірювання", при якому на цифровому індикаторі вимірювача часових інтервалів буде відображатися значення вимірюваної потужності сигналів надвисокого частотного діапазону в одиницях потужності. На фіг.3-10 в координатах струм-напруга наведені осцилограми вигляду вольт-амперних характеристик газорозрядного діода МН-6 [4], що отримані на екрані осцилографа в експерименті в умовах сумісної дії пилкоподібної напруги на електродах газорозрядного діоду і різних значень потужності (Рнвч) неперервного сигналу надвисокого частотного діапазону ( дорівнює 3,2см), що діє на плазму газорозрядного діода. На фіг.3-10 видна характерна зміна виду нелінійної ділянки вольт-амперних характеристик газорозрядного діода в залежності від рівня потужності (Р н в ч з-ю) сигналів надвисокого частотного діапазону, яка діє на плазму газового розряду. На фІг.З відображена вольт-амперна характеристика газорозрядного діода при відсутності потужності сигналів надвисокого частотного діапазону (Рнвч З ДОРІВНЮЄ НУЛЮ). ФІГ.4-6 (Рнвч Л МЄНШ Р Н В Ц 5 МЄНШ Рначб) ІЛЮСТру ють зміну напруги запалювання при збільшенні потужності сигналів надвисокого частотного діапазону, що діє на плазму газового розряду. На фІГ.7-10 (Риіч7 МЄНШ РначВ МЄНШ РнвнЭ МЄНШ Рнвч ю) ділянка вольт-амперних характеристик газорозрядного діода, де внутрішній опір R, діода від'ємне, зникає, і відбувається чисто високочастотний розряд. В цієї області газорозрядний діод втрачає здатність до генерації (з фіг.7 І подальше діод не може бути активним елементом релаксаційного генератора), але це відбувається при значеннях потужності сигналів надвисокого частотного діапазону, значно більших, ніж на фіг.4-6. Значення потужності сигналу надвисокого частотного діапазону для цих осцилограм (фіг.3-10) дорівнює: Р3=ОмВт, Р4=2мВт, Р5=10мВт, Р6=30мВт, Р7=150мВт, Р8=200мВт, Р9=250мВт, Рю=35ОмВт. Із аналізу наведених осцилограм слідує, що вольт-амперні характеристики на падаючої ділянці (фіг.4-6), де R; = ще зберігається, є більш di чутливою областю до малих значень потужності сигналів надвисокого частотного діапазону, чим на осцилограмах (фіг.7-10), де значення діючої на плазму розряду діода потужності сигналів надвисокого частотного діапазону значно більш і вольтамперні характеристики діода мають невизначену степінь залежності, іа=І(Рнвч) і ці (фіг.7-10) області вольт-амперної характеристики діода використовуються в аналогу, описаному вище, що є його значним недоліком. Рівняння для функції перетворювання (ТпРтв=ї(Рвим)) потужності сигналів надвисокого частотного діапазону в інформаційний сигнал на виході перетворювача пристрою, що заявляється, має вигляд Т пртв = R C!п 5 • де Тпртв - період сигналу релаксаційного генератора-перетворювача; RC - постійна за ряди о-роз рядного ланцюга; Е напруга живлення перетворювача; U n - напруга погашення несамостійного розряду (напруга початку нормального тліючого розряду); В=иаі-из2 - інтервал значень напруги запалювання розряду, при якому ще зберігається від'ємний внутрішній опір газорозрядного діода; U3i - напруга запалювання розряду при РНВч=0; U32 - напруга запалювання розряду при і нвч = 1вимї А=Р2-Рі - інтервал значень потужності сигналів надвисокого частотного діапазону, при якому ще зберігається від'ємний внутрішній опір газорозрядного діода; a — = tgoc - крутизна функції залежності напруги запалювання розряду від значення потужності сигналів надвисокого частотного діапазону (из=ЦРнвч)) для даного типу газорозрядного діода має постійне значення і не змінюється, тобто лінійна; 11363 Рвим - значення вимірюваної потужності сигналів надвисокого частотного діапазону. Підвищення ефективності застосування пристрою, що заявляється, у порівнянні з прототипом, досягається за рахунок введення режекторного фільтра низької частоти, електронно-лічильного вимірювача часових інтервалів, а також визначення аналітичної залежності функції перетворювання потужності сигналів надвисокого частотного діапазону в інформаційний сигнал. З урахуванням нестабільності усіх елементів, яки входять в вимірювальний канал, сумарна відносна похибка вимірювання потужності сигналів надвисокого частотного діапазону у даному випадку не перевищує 3%, що буде сприяти підвищенню вірогідності результатів вимірювання потужності сигналів надвисокого частотного діапазону при діагностичному контролю стану об'єкту вимірювань, а також у тому, що режекторний фільтр заглушує спектр послідовності детектованих радіоімпульсів сигналу надвисокого частотного діапазону, потужність якого вимірюється, і виключає зрив лічби вимірювачем часових інтервалів. Таким чином, пристрій, що заявляється, можливо віднести до ватметрів сигналів надвисокого частотного діапазону класу 4,0, що в 2-4 рази вище у порівнянні з існуючими ватметрами такого ж призначення. Границі вимірювань значень потужності сигналів надвисокого частотного діапазону від одиниць ФІГ. 1 8 мВт до сотень мВт. Вхідний опір перетворювача добре узгоджується як з коаксіальним, так І з хвилеводними трактами; коефіцієнт стоячої хвилі напруги на вході перетворювача К^т и не більш 1,31,5, оскільки газорозрядний діод працює при незначних електричних струмах (до ЮОмкА) на ділянці несамостійного розряду вольт-амперної характеристики діода. Пристрій, що заявляється, по метрологічним характеристикам може бути віднесений до електронних ватметрів поглиненої потужності з цифровим відліком для вимірювання середнього значення потужності неперервних та імпульсномодульованих сигналів надвисокого частотного діапазону. ДЖЕРЕЛА ІНФОРМАЦІЇ: 1. Мовчан С П . и др. Волноводный газоразрядный индикатор проходящей СВЧ мощности // Радиотехника и электротехника, T.XV, ВЫП.З, 1970, с.501-504, рис.1-5, - аналог. 2. Авторское свидетельство СССР №317986, кл. G 01г21/06, 1969 - прототип. 3. Измерения в электронике: Справочник/ В.А. Кузнецов, В.А. Долгов, В.М. Коневских и др.; под ред. В.А.Кузнецова. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с.177, табл.3.6. 4. А.А. Генис, И.Л. Горнштейн, А.Б. Пугач. Приборы тлеющего разряда. - К.: Государственное издательство технической литературы УССР, 1983, с.98, рис.42. 11363 10 la Е 0 Uct (Ua) Фіг.2 11 12 11363 ФЇГ.З Фіг.7 Фіг.4 Фіг.8 Фіг.5 Фіг.9 Фіг.6 Фіг.10 u. і _> Комп'ютерна верстка А. Попік Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти г науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Ки'їв, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ - 4 2 , 01601