Спосіб вимірювання коефіцієнта відбиття в смузі поглинання і пристрій для його здійснення

1 Спосіб вимірювання коефіцієнта відбиття в смузі поглинання, який полягає в тому, що початкові НВЧ коливання модулюють по амплггуді низькочастотними коливаннями, частоту котрих вибирають рівній половині смуги поглинання, опромінюють модульованими НВЧ коливаннями неоднорідне середовище, розділяють падаючі та відбиті НВЧ коливання, у відбитих НВЧ коливаннях порівнюють амплггуди коливань нижньої і верхньої бічних частот, змінюють частоту початкових НВЧ коливань до отримання рівності амплггуд НВЧ коливань бічних частот і вимірюють відношення амплітуд падаючих та відбитих НВЧ коливань, який відрізняється тим, що початкові НВЧ коливання попередньо розщеплюють по фазі на 90° і модулюють кожну із складових по амплггуді низькочастотними коливаннями, розщепленими по фазі також на 90°, далі додають і віднімають модульовані НВЧ коливання, опромінюють неоднорідне середовище сумарними НВЧ коливаннями, змішують падаючі і відбиті НВЧ коливання з різницевими НВЧ коливаннями, після цього опромінюють неоднорідне середовище різницевими НВЧ коливаннями, змішують падаючі і відбиті НВЧ коливання з сумарними НВЧ коливаннями, виділяють почергово із змішаних падаючих і відбитих НВЧ коливань низькочастотні сигнали з подвоєною частотою модуляції, з низькочастотного сигналу, одержуваного з відбитих НВЧ коливань, виділяють напругу огинаючої, а зміну частоти початкових НВЧ коливань проводять до зникнення напруги огинаючої 2 Пристрій для вимірювання коефіцієнта відбиття в смузі поглинання, який містить приймально-передавальну антену, два спрямованих відгалужувача на ВХОДІ-ВИХОДІ антени, виходи котрих з'єднані з опорним і вимірювальним каналами, які містять послідовно з'єднані балансний НВЧ змішувач, вибірний підсилювач різницевої частоти, амплггудний детектор і фільтр нижніх частот, блок поділу амплггуд низькочастотних сигналів, входи якого з'єднані з виходами фільтрів нижніх частот опорного і вимірювального каналів, індикатор, входом з'єднаний з виходом блока поділу амплггуд низькочастотних сигналів, подільник потужності, виходами з'єднаний з другими входами балансних НВЧ змішувачів, керований НВЧ генератор і генератор низької частоти, який відрізняється тим, що в нього введені двоканальний комутатор, подільник частоти, послідовно з'єднані підсилювач частоти комутації, синхронний детектор і інтегратор, подвійний хвилевідний трійник, два амплггудних НВЧ модулятора, квадратурний низькочастотний фазорозщеплювач і квадратурний НВЧ фазорозщеплювач, вхід якого з'єднаний з виходом керованого НВЧ генератора, виходи з'єднані з сигнальними входами амплітудних НВЧ модуляторів, модулюючі входи яких через двоканальний комутатор з'єднані з виходами квадратурного низькочастотного фазорозщеплювача, входом підключеного до виходу генератора низької частоти, виходи амплггудних НВЧ модуляторів з'єднані зі входами подвійного хвилевідного трійника, один вихід якого з'єднаний зі входом-виходом приймально-передавальної антени, другий вихід з'єднаний зі входом подільника потужності, вхід підсилювача частоти комутації з'єднаний з виходом фільтра низьких частот вимірювального каналу, вихід інтегратора з'єднаний з входом керованого НВЧ генератора, а керуючі входи двоканального комутатора і синхронного детектора підключені через подільник частоти до виходу генератора низької частоти О 00 со 44328 Винахід має відношення до техніки вимірювання параметрів надвисокочастотних (НВЧ) радіохвиль і може бути використаний для вимірювання коефіцієнта відбиття НВЧ коливань в області релаксаційного поглинання радіохвиль у різноманггних матеріалах і середовищах В діапазоні НВЧ радіохвиль у вологих матеріалах спостерігається сильне поглинання електромагнггної енергії в області дисперсії комплексної провідності Максимум поглинання має місце на частотах релаксації, коли частота зовнішнього поля співпадає з власною частотою диполей, які створені молекулами води Коефіцієнт відбиття, який має мінімальне значення на частоті релаксації, збільшується в процесі сушіння матеріалів і виробів в НВЧ полі Тому по коефіцієнту відбиття судять про остаточну вологість матеріалу, який висушується Таким чином, коефіцієнт відбиття в смузі поглинання є важливим технологічним параметром, що дозволяє оптимізувати процес сушіння матеріалів і виробів в НВЧ печах і іншому надвисокочастотному технологічному електрообладнанні Відомий спосіб вимірювання коефіцієнта відбиття в смузі поглинання (див ТишерФ Техника измерений на сверхвысоких частотах Пер С нем / Под ред В Н Сретенского - М Изд-во физикоматематической литературы, 1963 С 272 - 276), який полягає в опромінюванні НВЧ коливаннями неоднорідного середовища, розподілі падаючих та відбитих НВЧ коливань, та вимірі відношення амплггуд падаючих та відбитих НВЧ коливань Однак цей спосіб дає велику похибку вимірювання в смузі поглинання при нерівності частоти ш опромінюючих НВЧ коливань і частоти релаксації ш р домішних молекул в опромінюємому середовищі Остання залежить від температури середовища, значення вологості і форм зв'язку молекул води з матеріалом Тому в процесі сушіння різниця частот ш - ш р збільшується і похибка вимірювання різко зростає Відомий також спосіб вимірювання коефіцієнта відбиття в смузі поглинання (див Чернушенко А М , Майбороди А В Измерение параметров электронных приборов дециметрового и сантиметрового диапазона волн / Под ред А М Чернушенко - М Радио и связь, 1986, С 191 - 196), який полягає в тому, що початкові НВЧ коливання модулюють по амплггуді низькочастотними коливаннями, частоту котрих вибирають рівній половині смуги поглинання, опромінюють модульованими НВЧ коливаннями неоднорідне середовище, розділяють падаючі та відбиті НВЧ коливання, у відбитих НВЧ коливаннях порівнюють амплггуди коливань нижньої і верхньої бокових частот, змінюють частоту початкових НВЧ коливань до отримання рівності амплітуд НВЧ коливань бокових частот і вимірюють відношення амплггуд падаючих та відбитих НВЧ коливань Крім того, порівняння амплітуд коливань нижньої і верхньої бокових частот здійснюють шляхом їх частотної селекції, роздільного детектування і отримання різницевої напруги випрямлених напруг Зміну частоти початкових НВЧ коливань здійснюють вручну до досягнення нульового значення різницевої напруги Відомий спосіб також не забезпечує точного вимірювання коефіцієнта відбиття При частотній селекції НВЧ коливань бокових частот двома вузькосмуговими НВЧ фільтрами, роздільному детектуванні коливань двома НВЧ детекторами, формуванні різницевої напруги двоканальним пристроєм порівняння неминуче вносяться великі похибки при визначенні рівності амплггуд через неідентичність і нестабільність параметрів парних елементів Внаслідок неточного суміщення частоти початкових НВЧ коливань з частотою мінімуму коефіцієнта відбиття вимір відношення амплггуд падаючих та відбитих НВЧ коливань здійснюється з великими похибками Відомий пристрій для вимірювання коефіцієнта відбиття в смузі поглинання (див Измерения в электронике Справочник / В А Кузнецов, В А Долгов, В М Каневских и др, Под ред В А Кузнецова - М Энергоатомиздат, 1987, С 226 - 229), який містить генератор НВЧ коливань, розв'язуючий атенюатор, спрямований НВЧ детектор падаючої хвилі, спрямований НВЧ детектор відбитої хвилі, блок вимірювання відношення амплггуд падаючої та відбитої напруг, підключений до виходів детекторів падаючої та відбитої хвиль, і індикатор, з'єднаний з виходом блоку вимірювання відношення амплггуд Через температурну і тимчасову нестабільність характеристик двох НВЧ направлених детекторів, частотну неідентичність парних елементів неможливо забезпечити високу точність вимірювання коефіцієнта відбиття у широкій смузі поглинання Відомий також пристрій для вимірювання коефіцієнта відбиття у смузі поглинання (див Абубакиров Б А , Гудков К Т , Нечаев Э В Измерение параметров радиотехнических цепей / Под ред В Г Адрущенко, Б П Фатеева - М Радио и связь, 1984, С 129 - 133), який містить приймально-передавальну антену, два направлених відгалужувача на ВХОДІ-ВИХОДІ антени, виходи котрих з'єднані з опорним і вимірювальним каналами, включаючими послідовно з'єднані балансний НВЧ змішувач, вибірний підсилювач різницевої частоти, амплітудний детектор і фільтр нижніх частот, блок вимірювання відношень постійних напруг, входи якого з'єднані з виходами фільтрів нижніх частот опорного і вимірювального каналів, індикатор, входом з'єднаний з виходом блоку вимірювання відношення, подільник потужності, виходами з'єднаний з другими входами балансних НВЧ змішувачів, керований НВЧ генератор, і генератор низької частоти Крім того, відомий пристрій містить гетеродин, що перестроюється по частоті, вихід якого з'єднаний із входом подільника потужності Приймально-передавальна антена підключена безпосередньо до виходу керованого НВЧ генератора, керуючий вхід котрого з'єднаний з виходом генератора низької частоти Керований по частоті НВЧ генератор забезпечує реєстрацію на осцилографічному індикаторі частотної залежності коефіцієнта відбиття в смузі поглинання Проте, осцилографічна індикація коефіцієнта відбиття не забезпечує точного вимірювання його мінімального значення через пологий характер мінімуму Крім того, безперервне качання 44328 частоти НВЧ коливань знижує ефективність сушінплггудних НВЧ модулятора, квадратурний низьконя в електромагнггному полі, бо найбільший ККД частотний фазорозщеплювач і квадратурний НВЧ має місце при збігу частоти поля ш з частотою рефазорозщеплювач, вхід якого з'єднаний з виходом лаксації ш р молекул води керованого НВЧ генератора, виходи з'єднані з сигнальними входами амплггудних НВЧ модуляторів, В основу винаходу покладена задача створенмодулюючі входи яких через двоканальний комутаня таких способу і пристрою вимірювання коефіцієтор з'єднані з виходами квадратурного низькочаснта відбиття в смузі поглинання, в яких введення тотного фазо роз щеплювача, входом підключеного нових операцій в способі і введення нових елемендо виходу генератора низької частоти, виходи амптів в пристрої дозволили б здійснювати автоматичлггудних НВЧ модуляторів з'єднані зі входами поний вимір відношення мінімальної амплггуди відбидвійного хвилевідного трійника, один вихід якого тих НВЧ коливань до амплггуди падаючих НВЧ коз'єднаний зі входом-виходом приймально-передаливань і завдяки цьому підвищити точність вимірювальної антени, другий вихід з'єднаний зі входом вання коефіцієнта відбиття в центрі смуги поглиподільника потужності, вхід підсилювача частоти нання комутації з'єднаний з виходом фільтра, низьких чаПоставлена задача вирішується тим, що в спостот вимірювального каналу, вихід інтегратора собі вимірювання коефіцієнта відбиття у смузі поз'єднаний з входом керованого НВЧ генератора, а глинання, який полягає в тому, що початкові НВЧ керуючі входи двоканального комутатора і синхроколивання модулюють по амплітуді низькочастотнного детектора підключені через подільник частоними коливаннями, частоту котрих вибирають рівти до виходу генератора низької частоти ній половині смуги поглинання, опромінюють модульованими НВЧ коливаннями неоднорідне середовище, розділяють падаючі та відбиті НВЧ коливання, у відбитих НВЧ коливаннях порівнюють амплітуди коливань нижньої і верхньої бокових частот, змінюють частоту початкових НВЧ коливань до отримання рівності амплггуд НВЧ коливань бокових частот і вимірюють відношення амплггуд падаючих та відбитих НВЧ коливань, згідно винаходу початкові НВЧ коливання попередньо розщеплюють по фазі на 90° і модулюють кожну із складових по амплггуді низькочастотними коливаннями, розщепленими по фазі також на 90°, далі складають і віднімають модульовані НВЧ коливання, опромінюють неоднорідне середовище сумарними НВЧ коливаннями, змішують падаючі і відбиті НВЧ коливання з різницевими НВЧ коливаннями, після цього опромінюють неоднорідне середовище різницевими НВЧ коливаннями, змішують падаючі і відбиті НВЧ коливання з сумарними НВЧ коливаннями, виділяють почергово із змішаних падаючих і відбитих НВЧ коливань низькочастотні сигнали з подвоєною частотою модуляції, з низькочастотного сигналу, одержуваного з відбитих НВЧ коливань, виділяють напругу огинаючої, а зміну частоти початкових НВЧ коливань проводять до зникнення напруги огинаючої Поставлена задача вирішується також тим, що у пристрої для вимірювання коефіцієнта відбиття в смузі поглинання, який містить приймально-передавальну антену, два спрямованих відгалужувача на ВХОДІ-ВИХОДІ антени, виходи котрих з'єднані з опорним і вимірювальним каналами, включаючими послідовно з'єднані балансний НВЧ змішувач, вибірний підсилювач різницевої частоти, амплітудний детектор і фільтр нижніх частот, блок поділу амплітуд низькочастотних сигналів, входи якого з'єднані з виходами фільтрів нижніх частот опорного і вимірювального каналів, індикатор, входом з'єднаний з виходом блоку поділу амплггуд низькочастотних сигналів, подільник потужності, виходами з'єднаний з другими входами балансних НВЧ змішувачів, керований НВЧ генератор, і генератор низької частоти, згідно винаходу введені двоканальний комутатор, подільник частоти, послідовно з'єднані підсилювач частоти комутації, синхронний детектор і інтегратор, подвійний хвилевідний трійник, два ам Саме комутаційне формування пакетів НВЧ коливань з періодичною зміною знака одної бокової частоти, змішування пакетів падаючих і відбитих НВЧ коливань з НВЧ коливаннями іншої, протилежно зміненої бокової частоти, режим періодичного почергового створення пари модульованих НВЧ коливань з протилежно розташованими боковими частотами, отримання різницевого сигналу у вигляді напруги огинаючої частоти комутації і формування керуючого сигналу для НВЧ генератора синхронним детектуванням напруги огинаючої дозволяє виключити вплив нерівності амплггуд коливань бокових частот і нестабільності параметрів вимірювального каналу на точність налагодження початкових НВЧ коливань на максимум поглинання, що сприяє підвищенню точності вимірювання коефіцієнта відбиття в центрі смуги поглинання Введення в структуру пристрою квадратурних фазорозщеплювачів НВЧ коливань і низькочастотного сигналу дозволяє пригнічувати в амплггудномодульованих коливаннях одну з бокових частот, наявність двоканального комутатора в ланцюзі низькочастотних модулюючих сигналів забезпечує почергове і періодичне пригнічення однієї з бокових частот, а складання і віднімання амплггудномодульованих коливань у подвійному хвильоводному трійнику дозволяє формувати водночас пару модульованих НВЧ коливань з протилежно пригніченими боковими частотами Керування двоканальним комутатором і синхронним детектором низькочастотним модулюючим сигналом через подільник частоти забезпечує виділення напруги огинаючої у вимірювальному каналі і формування керуючого сигналу для НВЧ генератора, наявність інтегратора у ланцюзі керування дає повний збіг несучої частоти опромінюючих НВЧ коливань з частотою релаксаційного поглинання, що також сприяє підвищенню точності вимірювання коефіцієнта відбиття в центрі смуги поглинання На фіг 1 зображена структурна схема пристрою для вимірювання коефіцієнта відбиття у смузі поглинання, на фіг 2 - частотні залежності коефіцієнта відбиття у смузі поглинання і ВІДПОВІДНІ епюри низькочастотних сигналів Пристрій містить приймально-передавальну антену 1, на ВХОДІ-ВИХОДІ якої включені спрямовані 44328 8 фазою ф2 = Фі - Фі являють собою коливання нижвідгалужувачі 2 і 3 Антена підключена до одного з ньої бокової частоти відносно несучої частоти ш-і, виходів подвійного хвильводного трійника 4, друа коливання сумарної частоти со3 = щ + І І Ь з фазою гий вихід якого з'єднаний з подільником потужності Фз = ф! + Ф] - коливання верхньої бокової частоти 5 Вихід спрямованого відгалужувача 2 падаючих НВЧ коливань з'єднаний з опорним каналом, а виТрьохчастотні коливання (5) і (6) складаються і хід спрямованого відгалужувача 3 відбитих НВЧ віднімаються в подвійному хвильводному трійнику коливань з'єднаний з вимірювальним каналом 4 У результаті цих операцій на виходах подвійного Обидва канала включають послідовно з'єднані бахвильоводного трійника формуються модульовані лансні НВЧ змішувачі 6 і 7, вибірні підсилювачі різНВЧ коливання тільки з одною боковою частотою ницевої частоти 8 і 9, амплггудні детектори 10 і 11, При складанні модульованих коливань утворюєтьфільтри нижніх частот 12 і 13 Другі входи балансся НВЧ сигнал з нижньою боковою частотою них НВЧ змішувачів 6 і 7 з'єднані з виходами подільника потужності 5 До виходів опорного і вимірюU7(f) = a'H [sm(wif+cpi+7i/4) ерг)] (7) вального каналів підключено входами блок 14 поділу амплггуд низькочастотних сигналів, вихід якоі в результаті віднімання НВЧ сигнал з го з'єднаний з індикатором 15 До виходу фільтру верхньою боковою частотою нижніх частот 13 вимірювального каналу підключені послідовно з'єднані підсилювач 16 частоти комуU8(i)= a"H [sin(wif+cpi+7i/4) ерг)] (8) тації, синхронний детектор 17 і інтегратор 18, вихід якого з'єднаний з входом керованого НВЧ генераде а'н і а"н - амплітуда несучих коливань тора 19 Керований НВЧ генератор 19 живить квамодульованих сигналів дратурний НВЧ фазорозщеплювач 20, до виходів Глибину модуляції НВЧ коливань вибирають якого підключені сигнальними входами амплггудні невеликою у межах 5 10% ( т = 0,05 0,1), щоб НВЧ модулятори 21 і 22, модулюючі входи яких чепотужність НВЧ коливань була зосереджена в осрез двоканальний комутатор 23 з'єднані з квадрановному у несучих коливаннях частоти ш-і, які турним низькочастотним фазорозщеплювачем 24 впливають на неоднорідне середовище Сумарні Керуючі входи двоканального комутатора 23 і синНВЧ коливання (7) з одного виходу подвійного хвихронного детектора 17 з'єднані з виходом подільлевідного трійника надходять до приймально-пеника частоти 25, підключеного до генератора 26 редавальної антени 1, а різницеві НВЧ коливання низької частоти (8) з другого виходу подвійного хвилевідного трійника через подільник потужності 5 надходять на Суть способу полягає у наступному балансні НВЧ змішувачі 6 і 7 За допомогою спряПочаткові НВЧ коливання генератора 19 (фіг мованих відгалужувачів 2 і 3 виділяються падаючі 1) розділяються по фазі на 90° квадратурним фана неоднорідне середовище і відбиті від нього НВЧ зорозчеплювачем 20, створюючи на його виході коливання Амплггуда відбитих коливань пропордва ортогональних коливання ційна коефіцієнту відбиття середовища, котрий в смузі поглинання істотно залежить від частоти (1) опромінюючих коливань (рис 2, а і б) Мінімальне U2(t) = (2) значення коефіцієнта відбиття має місце при збігу частоти збуджуючих коливань ш, з частотою сор реде а ь сої і фі - амплггуда, частота і фаза НВЧ лаксації молекул води вологого матеріалу (сор = т) коливань Модуль коефіцієнта відбиття в залежності від співКоливання (1) і (2) модулюються по амплггуді в відношення частот Ш і П\ і можна показати таким р НВЧ модуляторах 21 і 22 низькочастотними количином ваннями генератора 26, які також розділяються по фазі на 90° квадратурним фазорозчеплювачем 24 U3(i) =Асо$( Qt+Фг U4(t) =Asm( Qt+Фі (3) (4) де А ь Сії і Ф] - амплггуда, частота і фаза низькочастотних коливань Низьку частоту Сі} вибирають рівній половині смуги поглинання Дсо опромінюємого середовища (фіг 2, а), тобто частота модуляції Пі = Аю / 2 У результаті модуляції НВЧ коливань утворюються ортогональні трьохчастотні коливання вигляду U5(t) = а н { соз(ш1/+ф1) + 0,5mcos[(co!- Q,{)t + ф] -Фі)] + 0,5mcos[(cor ІІ!> + фі + Фі)] } (5) U6(f) = a H { sin((D1/+91) + 0,5mcos[(co!- Q.{)t + ф] -Фі)] + 0,5mcos[(cor ІІ!> + ф! + Ф0] } (6) де ан - амплітуда несучих коливань, m - коефіцієнт глибини амплітудної модуляції Коливання різницевої частоти ш2 =