измеритель расстройки свч-резонатора
Классы МПК: | G01R27/32 в цепях с распределенными параметрами |
Автор(ы): | Скрипник Ю.А., Потапов А.А., Мордоус В.Н. |
Патентообладатель(и): | Киевский технологический институт легкой промышленности |
Приоритеты: |
подача заявки:
1991-06-17 публикация патента:
15.06.1994 |
Использование: в измерительной технике для измерения расстройки СВЧ-резонатора, которая вызывается введением исследуемого материала или вещества в электромагнитное поле резонатора. Сущность изобретения: измеритель расстройки СВЧ-резонатора содержит управляемый СВЧ-переключатель, двойной волноводный тройник, один из выходов которого является выходом для подсоединения входа СВЧ-резонатора, последовательно соединенные СВЧ-балансный смеситель, полосовой фильтр, амплитудный детектор, избирательный усилитель, фазочувствительный выпрямитель и индикатор, последовательно соединенные высокочастотный кварцевый генератор, умножитель частоты, СВЧ-балансный модулятор, выход которого через введенные параллельно включенные СВЧ-фильтры нижних и верхних частот соединен с входами волноводного тройника и входами управляемого СВЧ-переключателя, причем второй вход СВЧ-балансного модулятора через введенный первый делитель частоты соединен с выходом высокочастотного генератора, а управляющие входы СВЧ-переключателя через введенный второй делитель частоты соединен с выходом первого делителя частоты, последовательно включенные управляемый делитель напряжения и широкополосный усилитель, включенные между выходом амплитудного детектора и входом избирательного усилителя, дифференциальный усилитель, источник опорного напряжения и интегратор. 1 ил.
Рисунок 1
Формула изобретения
ИЗМЕРИТЕЛЬ РАССТРОЙКИ СВЧ-РЕЗОНАТОРА, содержащий СВЧ-генератор, управляемый СВЧ-переключатель, 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, фазочувствительный 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, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, 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 СВЧ-фильтры 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 соединены 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 выходом источника опорного напряжения, а выход дифференциального усилителя подключен к входу интегратора.Описание изобретения к патенту
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. Известен измеритель расстройки однорезонаторных датчиков (см.,например, Викторов В. А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М. : Наука, 1978, с.91-92, рис.29), содержащий высокочастотный генератор фиксированной частоты, подключенный к входу резонаторного датчика, последовательно соединенные амплитудный детектор, усилитель напряжения и индикатор, подключенные к выходу резонатора. Резонаторный датчик обладает определенной резонансной характеристикой, положение которой на частотной оси смещается при взаимодействии поля датчика с исследуемым материалом или веществом. Частота генератора выбирается такой, чтобы при смещении по частотной оси она приходилась на один из склонов резонансной характеристики. В этом случае амплитуда высокочастотных колебаний, детектируемых амплитудным детектором и измеряемых индикатором, определяется расстройкой резонатора, т.е. разностью частот генератора и собственной частотой резонатора. Известная схема позволяет строить относительно простые высокочастотные измерители расстройки однорезонаторных датчиков. Повышенная погрешность измерения обусловлена изменением добротности датчика и нестабильностью амплитуды высокочастотного генератора, а также отсутствием стабильного нуля при отсутствии расстройки. Известен также измеритель расстройки однорезонаторных датчиков (см., например, Безбородов Ю.М. и др. Фильтры СВЧ на диэлектрических резонаторах) Ю.М.Безбородов, Т.Н.Нарытник, В.Б.Федоров - Киев: Техника, 1989, с.172-173, рис, 7.17), содержащий сверхвысокочастотный (СВЧ) генератор, подключенный к однорезонаторному датчику (волноводный тройник, в полость которого введен диэлектрический резонатор), направленные ответвители подающего на резонатор и отраженного от него сигналов, два амплитудных детектора, к выходам которых подключен панорамный приемник. Исследуемый материал помещают в волновод тройника в области местного поля резонатора. СВЧ-генератор работает в режиме свипирования частоты. Панорамный приемник регистрирует подающий на резонатор датчика и отраженный от него сигналы, выделяемые направленными ответвителями. При отсутствии исследуемого материала, т.е. отсутствии расстройки резонатора, схему калибруют так, что величина падающей и отраженной волн при их сравнении дает нулевой уровень. В случае расстройки резонатора вследствие взаимодействия с исследуемым материалом возникает разностное напряжение на выходах СВЧ-детекторов, которое и является мерой расстройки резонатора. Недостатком этого измерителя является также невысокая точность из-за нестабильности нуля, которая вызывается неидентичностью и нестабильностью характеристик двух направленных ответвителей, двух амплитудных детекторов, входных каналов панорамного приемника и т.п. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является устройство для измерения расстройки СВЧ-резонатора (авт.св. СССР N 1471150, кл. G 01 P 27/32, 1987), 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 СВЧ-переключателя 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 ноль при отсутствии расстройки резонатора. Однако реальный ноль одноканальной схемы сравнения нестабилен, особенно при высокой добротности резонатора. Это объясняется использованием двух независимых СВЧ-генераторов, обладающих невысокой стабильностью. Неизбежный уход частоты любого 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 амплитудной логарифмической характеристикой также снижает точность известного устройства. Целью изобретения является повышение точности измерения расстройки СВЧ-резонатора за счет исключения влияния нестабильности частоты сигналов боковых частот и нагрузки на результат измерения. Цель достигается тем, что в измеритель, содержащий управляемый СВЧ-переключатель, двойной волноводный тройник, один из выходов которого является выходом для подсоединения входа СВЧ-резонатора, и последовательно соединенные СВЧ-балансный смеситель, полосовой фильтp, амплитудный детектор, избирательный усилитель, фазочувствительный выпрямитель и индикатор, причем первый вход СВЧ-балансного смесителя является входом для подсоединения выхода однорезонаторного датчика, второй вход соединен с выходом управляемого СВЧ-переключателя, управляющие входы которого соединены с управляющими входами фазочувствительного выпрямителя, введены последовательно соединенные высокочастотный кварцевый генератор, умножитель частоты, СВЧ-балансный модулятор, выход которого через введенные параллельно включенные СВЧ-фильтры нижних и верхних частот соединен с входами волноводного тройника и входами управляемого СВЧ-переключателя, при этом второй вход СВЧ-балансного модулятора через введенный первый делитель частоты соединен с выходом высокочастотного генератора, а управляющие входы СВЧ-переключателя через введенный второй делитель частоты соединен с выходом первого делителя частоты. Кроме того, в измеритель введены последовательно включенные 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 делителя напряжения, при этом первый вход дифференциального усилителя соединен с выходом широкополосного усилителя, второй вход - с выходом источника опорного напряжения, а выход подключен к входу интегратора. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый измеритель расстройки отличается наличием новых блоков: высокочастотного кварцевого генератора, умножителя частоты, СВЧ-балансного модулятора, СВЧ-фильтров нижних и верхних частот, первого и второго делителей частоты, а также управляемого делителя напряжения, широкополосного усилителя, дифференциального усилителя, источника опорного напряжения и интегратора, связями с остальными элементами схемы указанным образом. Следовательно, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна". Сравнение заявляемого измерителя расстройки с другими техническими решениями показывает, что введенные блоки широко известны и используются в различных измерительных схемах. Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами схемы в заявляемом измерителе вышеуказанные блоки проявляют новые свойства: исключение влияния нестабильности частоты сигналов боковых частот и нагрузка СВЧ-резонатора на результат измерения, что приводит к повышению точности измерения расстройки СВЧ-резонатора. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия". На чертеже представлена структурная электрическая схема измерителя расстройки СВЧ-резонатора. Измеритель содержит последовательно включенные высокочастотный кварцевый генератор 1, умножитель 2 частоты и СВЧ-балансный модулятор 3, к выходу которого через делитель 4 мощности подключены параллельно включенные фильтр 5 нижних частот и фильтр 6 верхних частот. Выходы фильтров 5 и 6 через делители 7 и 8 мощности соединены с входами двойного волноводного тройника 9 и входами плеч 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 которого соединен с источником 23 опорного напряжения, а выход - через интегратор 24 - с управляющим входом делителя 17 напряжения. К кварцевому генератору 1 подключен также первый делитель 25 частоты, выход которого соединен с 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. Измеритель работает следующим образом. Частота












U1(t)=









































































(





















К5 - коэффициент передачи полосового фильтра 15. При смешивании сигнала U3(t) частоты












В результате периодического переключения плеч 10 и 11 СВЧ-переключателя через полосовой фильтр 15 проходят пакеты низкочастотных сигналов U6(t) и U7(t) одной и той же частотой 2



























U































Из выражения (15) видно, что выходное напряжение U101пропорционально разности коэффициентов передач резонатора на разностной и суммарной частотах, которые определяются расстройкой резонатора на этих частотах. Для исключения влияния непостоянства параметров большинства блоков измерителя 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 дифференциального усилителя 22 воздействует постоянная составляющая напряжения видеоимпульсов U11=




К8 - коэффициент усиления широкополосного усилителя 18. На второй вход дифференциального усилителя 22 воздействует постоянное напряжение стабилизированного источника 23 опорного напряжения. На входе дифференциального усилителя 22 формируется разностное напряжение U12 = K9 (U11 - Uo) (17) где Uo - опорное напряжение источника 23;
К9 - 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 уравнении входных напряжений дифференциального усилителя 22 (Un = Uo). При этом коэффициент передачи делителя 17 напряжения принимает значение K7=

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 U


При взаимодействии СВЧ-резонатора 12 с исследуемым материалом или веществом, как указывалось выше, его собственная частота





























В высокодобротных расстроенных резонаторах Qн2








Так как








Если выразить абсолютную расстройку














Таким образом, показания индикатора 21 пропорциональны относительный расстройке



Класс G01R27/32 в цепях с распределенными параметрами