Пристрій для вимірювання комплексного коефіцієнта відбиття

1. Пристрій для вимірювання комплексного коефіцієнта відбиття, що містить розв'язаний надвисокочастотний генератор, гібридне з'єднання, виконане у вигляді перетинання в одній площині двох НВЧ ліній передач, перше плече якого є входом гібридного з'єднання, а четверте є вихідним для приєднання невідомого навантаження для дослідження, який відрізняється тим, що в нього введено чотири спрямованих детектори від скалярного рефлектометра так, що між виходом генератора та першим плечем гібридного з'єднання послідовно розташовані опорний спрямований 3 торське посвідчення СРСР. № 1814076 кл. G01R27/06, 1992). Головний недолік даного пристрою - відсутність блоків обробки показань індикаторів потужності, блоків для автоматизованого керування процесом вимірювання та зручного відображення результатів вимірювань, а також невідомі технічні характеристики для встановлення його місця та застосування серед однотипних приладів. Задача корисної моделі - створення надвисокочастотного швидкодіючого автоматизованого вимірювача комплексного коефіцієнту відбиття (віртуального осцилографа комплексного коефіцієнту відбиття) для визначення амплітудних та фазочастотних залежностей вібруючих навантажень та об'єктів. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій, який містить надвисокочастотний генератор, гібридне з'єднання, виконане у вигляді перетинання в одній площині двох НВЧ ліній передач, перше плече якого є входом гібридного з'єднання, а четверте є вихідним для приєднання невідомого навантаження для дослідження, додатково введено чотири спрямованих детектори від скалярного рефлектометру так, що між виходом генератора та першим плечем гібридного з'єднання послідовно розташовані опорний детектор вихідної хвилі генератора та перший детектор відбитої хвилі з гібридного з'єднання, друге плече гібридного з'єднання підключено до другого спрямованого детектором вихідної хвилі, а третє - до третього спрямованого детектора вихідної хвилі, також у пристрій введені блок аналого-цифрових перетворювачів вихідних сигналів від спрямованих детекторів, та контролер, вихідні порти якого підключені до блоку аналого-цифрового перетворювача та до генератору, а вхідний порт підключено до електронної обчислювальної машини, крім того, між неоднорідністю гібридного з'єднання та неоднорідністю невідомою навантаження розміщено резонатор на відбиття. Крім того, для вимірювання комплексного коефіцієнту відбиття у вільному просторі до вихідного четвертого плеча пристрою підключена антена, а у її радіолокаційній зоні розміщено невідоме навантаження для дослідження. На фіг.1 наведена структурна схема пристрою для вимірювання комплексного коефіцієнту відбиття. Пристрій містить: 1. генератор надвисоких частот, який програмується; 2. вентиль; 3. опорний спрямований детектор (ДС0) вихідної хвилі генератора; 4. перший спрямований детектор (ДС1) відбитої хвилі з першого плеча гібридного з'єднання; 5. гібридне з'єднання; 6. другий спрямований детектор (ДС2) вихідної хвилі з другого плеча гібридного з'єднання; 7. узгоджене навантаження; 8. третій спрямований детектор (ДС3) вихідної хвилі з третього плеча гібридного з'єднання; 9. блок аналого-цифрових перетворювачів (АЦП), який програмується; 10. контролер; 62293 4 11. електронна обчислювальна машина (ЕОМ); 12. навантаження; 13. невідоме навантаження для дослідження; 14. резонатор на відбиття. На фіг.2 наведена конструкція гібридного з'єднання 5. Конструкція виконана, як хрестоподібне сполучення у площині вузької стінки b прямокутних хвилеводів з плечима: першим (1), другим (2), третім (3) та четвертим (4) (хрестоподібний Еплощинний подільник потужності). На фіг.3 представлено розміщення резонатора на відбиття 14 у закритому каналі. Резонатор на відбиття 14 розміщено між неоднорідністю вихідного четвертого (4) плеча подільника потужності 5 та неоднорідністю невідомого навантаження 12. На фіг.4 представлено розміщення резонатора на відбиття 14 у радіолокаційній зоні антени 12. Резонатор на відбиття 14 розміщено між неоднорідністю четвертого (4) плеча подільника потужності 5 та неоднорідністю невідомого вібруючого навантаження (об'єкту) 13. На фіг. 5 представлені експериментальні осцилограми амплітудних та фазочастотних залежностей вібруючого навантаження, яке розташовано у закритому вихідному плечі пристрою. На фіг.6 представлені експериментальні осцилограми амплітудних та фазочастотних залежностей вібруючого навантаження, яке розташовано у радіолокаційній зоні антени. На фіг.7 представлена фотографія зовнішнього вигляду пристрою для вимірювання комплексного коефіцієнта відбиття. На фіг.8 представлена фотографія конструкції одного з двох контролерів 10. Для визначення фазочастотних залежностей вібруючи навантаження 12 розміщуються безпосередньо у регулярній лінії резонатору на відбиття 14, де утворюється стояча хвиля (фіг.3). Для визначення фазочастотних залежностей від зовнішніх навантажень (об'єктів) 13 контактним методом (фіг.4), у регулярній лінії резонатору на відбиття 14 розміщується рухоме навантаження 12, наприклад коротко замкнутий поршень, який твердим штоком з'єднується з вібруючим зовнішнім навантаженням 13. Для визначення фазочастотних залежностей вібруючих навантажень безконтактним методом (фіг.4) до вхідного рознімання вихідного четвертого плеча подільника потужності 5 приєднується антена 12, а в її радіолокаційній зоні розміщується навантаження (об'єкт) для досліджування 13. Функціонування пристрою здійснюється таким чином. Опорний високочастотний сигнал генератора 1, який не модулюється, після буферізації вентилем 2 з малими втратами у первинних каналах спрямованих детекторів (ДС) 3 та 4 надходить до неоднорідності хрестоподібного Е-площинного подільника потужності 5 та розсіюється по амплітуді приблизно на чотири рівні частини між його вихідними плечима. Четверта частина опорного сигналу з вихідного четвертого плеча подільника потужності 5 розповсюджується у регулярній лінії резонатора 14, падає на неоднорідність навантаження 12. Відбита хвиля від навантаження 12, ам 5 62293 плітуда та фаза якої визначається комплексним коефіцієнтом відбиття невідомого навантаження 12, розповсюджується у регулярній лінії резонатора 14, падає на неоднорідність Е-площинного подільника потужності 5 та також розсіюється між його вихідними плечима приблизно рівними чотирма частинами. Таким чином, чисельні значення відбитої від невідомої неоднорідності хвилі залежать від параметрів резонатору 14, у якому утворюється стояча хвиля, а саме від електричної (фазової) довжини, яка утворюється між широкополосною еталонною неоднорідністю подільника потужності та вібруючим навантаженням. З урахуванням того, що геометричні (фазові) харак  Si0 1  A4  0  S i4 2 ~ Si0 1  0  S i4 2 0 P0  Pi Pi0  P0  ;  S0 41 Pi0 ,P00 - значення вихідних сигналів ДС при підключенні до пристрою еталонного навантажен ня з відомим коефіцієнтом відбиття 0 (напри клад, 0  0 ); Pi0 , P0 - значення вихідних сигналів ДС при підключенні до пристрою навантаження з невідомим  коефіцієнтом відбиття  . Програмне забезпечення ЕОМ обробляє вихі, дні дані P0,P1 P2,P3 чотирьох спрямованих детекторів 3,4,6,8, після їх перетворення у блоці АЦП 9, керує процесом дослідження вібруючих навантажень та відображає на моніторі осцилограми у реальному часі. Для створення програмного забезпечення та графічного інтерфейсу користувача застосовано середовище Microsoft Visual Studio C++. Амплітуда вібрації навантажень (об'єктів) X пов'язана із зміною фази  знайденого коефіціє нту відбиття  відношенням: X  L / 2  2 , теристики резонатору та вібруючого навантаження одного порядку, з'являється можливість створити пристрій для аналізу параметрів вібруючих навантажень та об'єктів. 1 Вихідні аналогові сигнали P0,P ,P2,P3 p надходять до блоку швидкодіючих АЦП, та після їх перетворення за допомогою контролера 10 надходять у шину даних центрального процесору ЕОМ. Математична модель вимірювача для обчислення  комплексного коефіцієнту відбиття  , яка знаходиться у пам'яті ЕОМ, має такий вигляд:  A4 , i  12,3 ,    S0  A 4 44 ,  S0 де ij - розрахункові значення коефіцієнтів матриці розсіювання подільника потужності 5;  S0  0,4 - коефіцієнт відбиття від неоднорід44 ності подільника потужності 5, який утворює резонатор на відбиття 14 у вихідному четвертому (4) плечі (фіг.3, фіг.4); (1) де  L - довжина електромагнітної хвилі у лінії передачі резонатору 14. Наприклад, коли зміна фази  дорівнює 360 градусів, амплітуда вібрації навантаження X  /2 дорівнює L . Відстань між неоднорідністю Е-площинного хрестоподібного подільник потужності 5 та вібруючим навантаженням знаходиться з урахуванням властивості незалежності фази  комплексного 6 (2)  коефіцієнту  невідомого навантаження від частоти генератора 1. Експериментальні дослідження розробленого пристрою було здійснено у 8-ми мм діапазоні довжин радіохвиль. Розроблена конструкція містить такі елементи (фіг.1): Елемент 1 пристрою - генератор надвисоких частот Г4-156. Елемент 2 - феритовий вентиль ФВВН1-2. Елементи 3,4,6,8 - спрямовані детектори від скалярного рефлектометру Р2-65. Елемент 5 - хрестоподібний Е-плошинний подільник потужності з перерізом хвилеводу a  7,2 мм b  3,4мм , . Елемент 7 - узгоджене навантаження від скалярного рефлектометру Р2-65. Блок 9 - аналого-цифрових перетворювачів (АЦП), який містить чотири однакових канали. Кожен канал містить малошумлячий операційний підсилювач типу PGA204 та паралельний шістнадцяти розрядний аналого-цифровий перетворювач типу AD7884. Блок 10 - контролер, який містить на двох платах (фіг.8) розширення для магістралі ISA PC IBM п'ять паралельних інтерфейси, які програмуються, типу КР580ВВ55А: чотири інтерфейси керують блоком АЦП, а п'ятий - керує генератором 1. Блок 11 - електронна обчислювальна машина (ЕОМ) типу PC IBM (Pentium 3,1GHz), яка містить у двох системних магістралях ISA контролер 10. Швидкість обробки однієї вибірки комплексно го коефіцієнту відбиття  розробленим пристроєм не перевищує 20мкс на одну вибірку (20мкс/тчк). Це дозволило зафіксувати на екрані монітора частоту вібрації невідомого навантаження від 0 Гц до 1 КГц з амплітудою 0,1 мм. Вихідний сигнал генератора 1 типу Г4-156 не модулюється. Рівень чотирьох вихідних сигналів від спрямованих детекторів 3,4,6,8 змінюється у діапазоні від 1 до 10000 мкВ. Чотири операційних підсилювача типу PGA204, які програмуються, підсилюють ці сигнали у 10,100 або 1000 разів. Далі сигнали надходять до чотирьох паралельних АЦП типу AD7884. Кожен АЦП керується своїм інтерфейсом типу КР580ВВ55А, який розміщено у контролері 10. З'єднання ліній запуску (convst) чо 7 тирьох АЦП між собою дозволяє одним сигналом реалізувати паралельну вибірку сигналів Р0,Р1,Р2,Р3 для їх подальшого використання у математичній моделі (2) ЕОМ. Експериментальне моделювання вібрацій навантажень розташованих у вимірювальній лінії резонатору 14 (фіг.3) здійснювалось так: у вимірювальний канал резонатору 14 було введено рухоме навантаження, вібрація на навантаження за допомогою металевого штоку передавалося від низькочастотного динаміка потужністю 80 Вт (фіг.7). На фіг.5 представлені експериментальні демонстраційні осцилограми отримані з монітору ЕОМ. На першому етапі експерименту для керуючого генератора була задана частота 28,5 ГГц (код " F  2850 "), у вимірювальний канал пристрою було введено узгоджене навантаження і була натиснута кнопка "KALIBROVKA". Пристрій запам'ятав у P 0 ,P 0 віртуальній пам'яті ЕОМ значення i 0 для математичної моделі (2). Для контролю ці значення на осцилограмі відображені як P2  4129 , та P3  1656 . У вікна "Range" було введено число вибірок та чисельний діапазон для горизонтальної осі - від 0 до 9998. На другому етапі у вимірювальний канал було введено рухоме навантаження. На динамік від низькочастотного генератору була подана синусоїдальна напруга 2В з частотою 30Гц (фіг.5.а). Для одноразового зчитування заданого числа вибірок треба натиснути кнопку "RUN", для автоматичного оновлення осцилограм треба натиснути кнопку "START TIMER". У програму було введено мультимедійний таймер, який фіксував час паралельного зчитування з чотирьох АЦП 9999 вибірок. На осцилограмі цей час наведено у вікні "TIMER" 145мсек. Як свідчить із аналізу результатів модуля коефіцієнта відбиття (графік "Gama"), його значення, яке повинно бути постійним та незалежним від місцезнаходження рухомого навантаження, значно залежить від фази. Це - недолік, який пов'язаний з застосуванням у пристрою неузгодженого багатоплечого гібридного з'єднання. Як свідчить із другого графіка "Faza", навпаки, завдяки присутності у вимірювальному каналі резонатора на відбиття та генерації у ньому стоячої хвилі відобразили чітку синусоїдальну криву зміни фази  за часом (за 145мсек). На осцилограмі відображена задана частота для генератора Г4-156-28,5 ГГц (код " F  2850 "), та період комплексного коефіцієнту 62293 8  " LW / 2  7,7129" . Згідно з графіком зміна фази рухомого навантаження дорівнює плюс-мінус 73,4 градуса (146,8 градусів). З урахуванням формули (1), амплітуда вібрації рухомого навантаження відображена у вікні осцилограми та дорівнює "3,14605"мм, а частота вібрації відображена у вікні "F[HZ]" = 30,9534 Гц. На фіг.5.б наведена осцилограма при встановленні на динаміку синусоїдальної напруги 10В з частотою 30Гц. Згідно з графіком зміна фази рухомого навантаження дорівнює плюс-мінус 404 градуса (808 градусів). Таким чином, амплітуда вібрації рухомого навантаження дорівнює "17,3146" мм, а частота "F[HZ]" = 31,0816 Гц. На фіг.6 представлені осцилограми експериментальних досліджень фазочастотних залежностей вібруючих навантажень (об'єктів), які знаходяться у радіолокаційній зоні антени 12 пристрою (фіг.4), безконтактним методом. При проведені експерименту, до рознімання вихідного плеча було приєднано узгоджену рупорну антену 12. На відстані 10см від антени було розташовано металевий диск 13 діаметром 10см. Диск був наклеєний на динамік потужністю 80Вт (фіг.7). На фіг.6,а відображена осцилограма при встановлені на динаміку синусоїдальної напруги 0,2В з частотою 20Гц. У вікні "Range" уведено число вибірок - 16000. Для НВЧ генератора задана частота 28,5ГГц (код "F=2850"). Згідно з графіком "Faza" зміна фази  в вібруючого навантаження дорівнює плюс-мінус 8,91 градусів (17,82 градуса). Тобто, амплітуда коливання вібруючого навантаження дорівнює "0,381869"мм, частота биття (наприклад, серця людини) дорівнює "F[HZ] = 19,8797". На фіг.6,б відображена осцилограма при збільшені на динаміку синусоїдальної напруги до 8В. Згідно з аналізом графіка "Faza" зміна фази  вібруючого навантаження дорівнює 1312 градусів (плюс-мінус 656 градусів). Тобто, амплітуда коливання вібруючого навантаження дорівнює "28,1166"мм, частота биття дорівнює "18,687'Тц. Таким чином, наявність резонатору на відбиття у вимірювальному каналі Е-площинного подільника-перетворювача потужності запропонованого вимірювача та його відсутність в узгоджених перетворювачах автоматизованих аналізаторах кіл, дозволяє створити новий клас приладів "Віртуальні осцилографи комплексного коефіцієнта відбиття надвисоких частот", які, у якійсь мірі, є альтернативними стосовно "Векторних аналізаторів кіл". 9 62293 10 11 62293 12 13 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 62293 Підписне 14 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601