Вимірювач розладнання нвч-резонатору

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расстройки СВЧ резонатора, которая вызывается введением исследуемого материала или вещества в электромагнитное поле резонатора. Известно устройство для измерения расстройки СВЧ резонатора, содержащее первый и второй СВЧ генераторы, выходы которых соединены соответственно, с первым и вторым входами управляемого СВЧ переключателя и первым и вторым входами двойного волноводного тройника, первый выход которого является выходом для подсоединения входа исследуемого СВЧ резонатора, последовательно соединенные балансный смеситель, полосовой фильтр, СВЧ детектор, функциональный преобразователь, избирательный усилитель, фазочувствительный выпрямитель и индикатор, причем второй вход балансного смесителя соединен с выходом СВЧ переключателя, первый вход является входом для подсоединения выхода исследуемого СВЧ резонатора, а управляющие входы фазочувствительного выпрямителя соединены с управляющими входами СВЧпереключателя и подключены к выходам парафазного генератора прямоугольных импульсов. Благодаря использованию одноканальной схемы сравнения сигналов первого и второго СВЧ-генераторов, в которой сравниваемые сигналы поочередно преобразуются одним смесителем, одним полосовым фильтром, одним амплитудным детектором и т.д., устройство-прототип должно иметь высокостабильный "нуль" при отсутствии расстройки резонатора. Однако реальный "нуль" одноканальной схемы сравнения нестабилен, особенно при высокой добротности резонатора. Это объясняется использованием двух независимых СВЧгенераторов, обладающих невысокой стабильностью, Неизбежный уход частоты из двух генераторов воспринимается одноканальной схемой как расстройка исследуемого резонатора, что приводит к большим погрешностям. Зависимость выходного напряжения одноканальной схемы сравнения от добротности нагруженного резонатора также вызывает дополнительные погрешности в измерении расстройки резонатора. Неизбежная нестабильность функционального преобразователя с амплитудой логарифмической характеристикой также снижает точность известного устройства. В основу заявляемого изобретения поставлена задача создать измеритель расстройки СВЧ-резонатора, в котором путем введения новых элементов и связей исключалось бы влияние нестабильности частоты сигналов боковых частот и нагрузки на результат измерения, что позволит повысить точность измерения расстройки. Поставленная задача достигается тем, что в измерителе, содержащем СВЧ-генератор, управляемый СВЧпереключатель, первый и второй входы которого соединены с соответствующими выходами двойного волноводного тройника, третий выход которого является выходом для подсоединения входа однорезонаторного датчика, и последовательно соединенные балансный смеситель, полосовой фильтр и амплитудный детектор, а также последовательно соединенные избирательный усилитель, фазочувстви тельный выпрямитель и индикатор, причем первый вход балансного смесителя является входом для подсоединения выхода СВЧ-резонатора, второй вход соединен с выходом управляемого СВЧ-переключателя, управляющие входы которого соединены с управляющими входами фазочувствительного выпрямителя, согласно изобретению, СВЧ-генератор выполнен кварцевым, введены последовательно соединенные умножитель частоты, вход которого соединен с выходом кварцевого СВЧ-генератора, СВЧ-балансный модулятор, выход которого через параллельно включенные СВЧфильтры нижних и верхних частот соединен с входами двойного волноводного тройника и входами управляемого СВЧ-переключателя, причем второй вход СВЧ-балансного модулятора через введенный первый делитель частоты соединен с выходами кварцевого СВЧ-генератора, а управляющие входы СВЧ-переключателя через введенный второй делитель частоты соединен с выходом первого делителя частоты, а также введены последовательно соединенные управляемый делитель напряжения и широкополосный усилитель, включенные между выходом амплитудного детектора и входом избирательного усилителя, дифференциальный усилитель, источник опорного напряжения и интегратор, выход которого соединен с управляющим входом управляемого делителя напряжения, первый вход дифференциального усилителя соединен с выходом широкополосного усилителя, второй вход - с вы ходом источника опорного напряжения, а выход дифференциального усилителя подключен к входу интегратора. Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена структурная электрическая схема измерителя расстройки СВЧ-резонатора. Измеритель расстройки содержит последовательно включенный высокочастотный кварцевый генератор 1, умножитель 2 частоты и СВЧ-балансный модулятор 3, к выходу которого через делитель мощности 4 подключены параллельно включенные фильтр 5 нижних частот и фильтр 6 верхних частот. Вы ходы фильтров 5 и 6 через делители мощности 7 и 8 соединены со входами двойного волноводного тройника 9 и входами плечей 10 и 11 СВЧ-переключателя. К выходу двойного волноводного тройника 9 подключен вход СВЧ-резонатора 12, выход которого соединен с первым входом балансного смесителя 13, второй вход которого через волноводный тройник 14 соединен с выходами плеч 10 и 11 СВЧ-переключателя. К выходу смесителя 13 подключены последовательно соединенные полосовой фильтр 15, амплитудный детектор 16, управляемый делитель 17 напряжения, широкополосный усилитель 18, избирательный усилитель 19, фазочувствительный выпрямитель 20 и индикатор 21. Выход широкополосного усилителя 18 соединен с первым входом дифференциального усилителя 22, второй вход - с источником 23 опорного напряжения, а выход ди фференциального усилителя 22 через интегратор 24 соединен с управляющим входом делителя 17 напряжения. К кварцевому генератору 1 подключен также первый делитель 25 частоты, выход которого соединен со вторым входом балансного модулятора 3 и входом второго делителя 26 частоты, парафазные выходы которого соединены с управляющими входами плеч 10 и 11 СВЧ-переключателя и симметричными входами фазочувствительного выпрямителя 20. Устройство работает следующим образом. Частота wo высокочастотного кварцевого генератора 1 умножается в m раз в умножителе 2 частоты до получения СВЧ-сигнала, на частоту w1 = mwo которого первоначально настроен СВЧ-резонатор 12 (пустой или взаимодействующий с эталонным материалом). Одновременно частота wo делится в n1 раз делителем 25 частоты до получения низкой частоты W = wo / n1, равной половине полосы пропускания настроенного СВЧрезонатора 12, при этом W = Dwo / 2. В балансном модуляторе 3 СВЧ-сигнал частоты w1 перемножается с модулирующим сигналом низкочастотным сигналом частоты. В результате этого образуется балансно-модулированный СВЧ-сигнал вида: где S1 - крутизна балансного смесителя 3; Um1, U m2 - амплитуды перемноженных сигналов; j1, j2 - начальные фазы перемноженных сигналов. Из балансно-модулированного сигнала (1) с помощью СВЧ-фильтра 5 нижних частот выделяют сигнал разностной частоты w2 = w1 - W. а с помощью СВЧ-фильтра 6 верхних частот - сигнал суммарной частоты w3 = w1 - W. где К1, К2 - коэффициенты передач соответственно фильтра 5 нижних и фильтра 6 верхних частот; Dj1, Dj2 - фазовые сдвиги, вносимые фильтрами 5 и 6. В двойном волноводном тройнике 9 суммируют сигналы разностной U2(t) и суммарной U3(t) частот, которыми возбуждают СВЧ-резонатор 12. Сигнал разностной частоты w 2 представляет собой сигнал нижней боковой полосы резонатора, а сигнал суммарной частоты w3 - сигнал вер хней боковой частоты. Сигналы нижней и верхней боковых частот проходят через настроенный резонатор в пределах его полосы пропускания с одинаковыми небольшими ослаблениями, вызванными некоторой расстройкой резонатора с собственной частотой wp = w1. Сигнал частоты w2 , прошедший резонатор с коэффициентом передачи К3 на нижней границе полосы пропускания, принимает значение где Ко - коэффициент передачи СВЧ-резонатора 12 на собственной частоте; w1 Qo = - добротность ненагруженного резонатора; w3 - w2 2( w2 - w1 ) l1 = - относительная расстройка резонатора на частоте w2 ; w1 Dj2 = arctgQo l - фазовый сдвиг, вносимый резонатором на частоте w2 . Сигнал частоты w3 прошедший резонатор с коэффициентом передачи К4 на верхней границе полосы пропускания, принимает соответствующее значений где l 2 = 2( w3 - w1 ) - относительная расстройка резонатора на частоте w3 ; w1 Dj4 = arctgQo l 2 - фазовый сдвиг, вносимый резонатором на частоте w3 . Ослабление СВЧ-резонатором 12 сигналы U4(t) и U5(t) поступают на первый вход СВЧ-балансного смесителя 13, на второй вход которого через плечи 10 и 11 СВЧ-переключателя поступают сигналы U2(t) и U3(t) с вы ходов фильтра 5 нижних и фильтра 6 верхних частот. Плечи 10 и 11 СВЧ-переключателя управляются выходными противофазными импульсами выходного напряжения делителя 26 частоты. Коэффициент деления n2 второго делителя 26 частоты выбирают таким, чтобы частота W к переключений была бы меньше частоты W модуляции в 100-200 раз W к £ W /(10 - 0 200). В результате смешивания сигнала U2(t) частоты w 2 прошедшего через открытое плечо 10 СВЧ переключателя, с ослабленным сигналом U5(t)частоты w3 образуется низкочастотный сигнал разностной частоты w3 - w2 = 2W и СВЧ-сигнал суммарной частоты w3 + w2 = 2w1. Полосовой фильтр 15 с центральной частотой, равной удвоенному значению частоты модуляции 2W, выделяет низкочастотный сигнал где S2 - крутизна балансного смесителя 13; K5 - коэффициент передачи полосового фильтра 15. При смешивании сигнала U3(t) частоты w 3, прошедшего через открытое плечо 11 СВЧ-переключателя, с ослабленным сигналом U4(t) частоты w 2 модуляции также образуется низкочастотный сигнал удвоенной частоты В результате периодического переключателя плеч 10 и 11 СВЧ-переключателя через полосовой фильтр 15 проходят пакеты низкочастотных сигналов U6(t) и U7(t) одной и той же частотой 2W длительностью в полупериод Тк /2 коммутации Tк = 2p / Wк . В результате детектирования пакетов напряжения U6(t) и U7(t) амплитудным детектором 16 образуются видеоимпульсы с амплитудами: где S3 - крутизна амплитудного детектора 16. Избирательным усилителем 19, настроенным на частоту коммутации W к СВЧ-переключателя, усиливается напряжение огибающей видеоимпульсов. Усиленное напряжение выпрямляется фазочувствительным выпрямителем 20, управляющие входы которого соединены с управляющими входами плеч СВЧ-переключателя, и измеряется индикатором 21. Измеряемое напряжение с учетом выражения (10) и (11) принимает вид: где К6 - коэффициент усиления избирательного усилителя 19. В настроенном СВЧ-резокаторе 12 (wр = w1) квадраты относительных расстроек по боковым частотам равны (l2 = l2 ). Поэтому индицируемое напряжение (12) равно нулю (К2 = К4 и U10 = 0). 1 2 Этим обеспечивается стабильный нуль измерительной схемы при отсутствии расстройки резонатора датчика при любых изменениях параметров его блоков (К1, К2 , K3 , К 6, S 1, S 2, S3) и добротности Qo . Когда электромагнитное поле датчика 12 начинает взаимодействовать с исследуемым материалом или веществом, то его собственная частота wp уменьшается за счет вносимой реактивности (wp £ wp = w1) и происходит смещение полосы пропускания резонатора по оси частот вниз. При малых расстройках резонатора Dwo (l p < ) и смещения собственной частоты вниз разностная частота w2 = w1 - W попадает в полосу wp пропускания резонатора, а суммарная частота w3 = w1 + W выходит за пределы полосы пропускания. В этом случае сигнал разностной частоты (4) принимает значение: где К3’ и D j3 - коэффициент передачи и фазовый сдвиг расстроенного резонатора в пределах его полосы пропускания (K3 ' » K3 ). Сигнал суммарной частоты (5), проходящий вне полосы пропускания расстроенного резонатора, становится равным где К4’ и D j4 - коэффициент передачи и фазовый сдвиг расстроенного резонатора за пределами его полосы пропускания (K 4 ' » K 4 ). Измеряемое напряжение (12) с учетом выражений (13) и (14) принимает вид: Из выражения (15) видно, что выходное напряжение пропорционально разности коэффициентов передач резонатора на разностной и суммарной частотах, которые определяются расстройкой резонатора на этих частотах. Для исключения влияния непостоянства параметров большинства блоков устройства на результат измерения расстройки резонатора видеоимпульсы с выхода амплитудного детектора 16 на избирательный усилитель 19 поступают через управляемый делитель 17 и широкополосный усилитель 18. При этом на первый вход ди фференциального усилителя 22 воздействует постоянная составляющая напряжения видеоимпульсов. где К7 - коэффициент передачи управляемого делителя 17 напряжения; K8 - коэффициент усиления широкополосного усилителя 18. На второй вход дифференциального усилителя 22 воздействует постоянное напряжение стабилизированного источника 23 опорного напряжения. На входе дифференциального усилителя 23 формируется разностное напряжение где Uo - опорное напряжение источника 23; K9 - коэффициент усиления дифференциального усилителя 22. Усиленное разностное напряжение дифференциального усилителя 22 заряжает интегратор 24, выходное напряжение которого управляет коэффициентом передачи делителя 17 напряжения. Процесс регулирования коэффициента передачи делителя 17 напряжения прекращается при уравнивании входных напряжений дифференциального усилителя 22 (U11 = Uo). При этом коэффициент передачи делителя 17 напряжения принимает значение: Переменная составляющая напряжения видеоимпульсов, которая в цепи регулирования усредняется интегратором 24, выделяется и усиливается избирательным усилителем 19. Напряжение (15) с учетом результируемого коэффициента передачи (18) делителя 17 напряжения и коэффициента усиления широкополосного усилителя 18 принимает значение: При взаимодействии СВЧ-резонатора 12 с исследуемым материалом или веществом, как указывалось выше, его собственная частота wp ' уменьшается (wp ' < wp ), а полоса пропускания Dwo ' резонатора расширяется за счет вносимых потерь (D wo ' < Dwo ). В результате этого возникает расстройка резонатора относительно частоты w1 возбуждающего сигнала а добротность натруженного резонатора уменьшается до значения Qн > 1. Поэтому выражение (23) можно упростить где / l / - абсолютные значения расстроек. Подставляя в выражение (24) абсолютные значения относительных расстроек l 1' и l 2 ' получаем Так как w3 + w2 - 2w1 = 0, w3 - w2 = 2W то окончательно получим Если выразить абсолютную расстройку резонатора через его относительную расстройку то выражение (26) примет вид: Таким образом, показания индикатора 21 пропорциональны относительной расстройке l p СВЧ-резонатора 12, а коэффициент пропорциональности определяется коэффициентом умножения m умножителя 2 частоты, коэффициентом деления n1 делителя 25 частоты, величиной Do опорного напряжения стабилизированного источника 23 и коэффициента усиления К6 избирательного усилителя 19. С помощью последнего легко изменить пределы измерения в зависимости от ожидаемой расстройки СВЧ-резонатора. Из выражения (18) видно, что результат измерения не зависит от вносимых потерь, изменяющих добротность Qн резонатора. Кроме того, в предложенной схеме измерителя расстройки резонатора отсутствует функциональный преобразователь с логарифмической характеристикой, что исключает погрешность от нестабильности параметров этого нелинейного блока. Не влияет также на результат измерения расстройки непостоянство амплитуд сигналов Um1 и Um2 , формируемых другими нелинейными блоками (умножителем 2 частоты и делителем 25 частоты). Таким образом, использование настоящего изобретения в качестве измерителя диэлектрических параметров e и tg d диэлектриков с большими потерями по сравнению с прототипом позволит существенно (не менее чем в 3-5 раз) повысить точность измерения расстройки СВЧ-резонаторов, используемых для исследования материалов и веществ.