устройство для измерения нагруженной добротности сверхвысокочастотного резонатора

Формула изобретения

Устройство для измерения нагруженной добротности сверхвысокочастотного резонатора, содержащее ваттметр и последовательно соединенные генератор, направленный ответвитель, ферритовый вентиль, резонатор, первую согласованную нагрузку, отличающееся тем, что в него введены вторая согласованная нагрузка и две пластины - неподвижная и подвижная, наложенные одна на другую, с отверстиями, равными сечению волновода на выходе резонатора, при этом выход резонатора подсоединен к первому отверстию неподвижной пластины, а боковой канал направленного ответвителя - ко второму отверстию этой же пластины, ваттметр подсоединен к среднему из трех отверстий подвижной пластины, а к двум другим отверстиям подсоединены первая и вторая согласованные нагрузки, и расстояния между отверстиями на обеих пластинах равны, при этом подвижная пластина может принимать два фиксированных положения, в которых отверстия на обеих пластинах совпадают.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам по измерению нагруженной добротности сверхвысокочастотного резонатора, используемого для определения параметров материалов радиоволновым резонансным методом, например тангенса угла потерь диэлектрических подложек интегральных схем.

Известно устройство для измерения малых изменений нагруженной добротности СВЧ резонатора, состоящее из автогенератора, выполненного на ЛЕВ с цепью обратной связи, в которую включен испытуемый резонатор. В высоковольтную цепь питания ЛБВ включен модулирующий трансформатор для получения частотной модуляции автоколебаний. На выходе автогенератора включен измеритель девиации частоты. Добротность резонатора определяют по величине девиации частоты автогенератора. (В.А.Двинских, Ю.П. Науменко. Измерение добротности СВЧ резонаторов методом фазовой модуляции в схеме с самовозбуждением. - Электронная техника, серия II, контрольно-измерительная аппаратура, 1969, вып.3, с.31-38).

Недостатком устройства является его сложность и громоздкость.

Известно устройство для измерения добротности СВЧ резонатора (Авт. свид. СССР N 824079, G 01 R 27/26, G 01 N 23/24). Оно содержит последовательно соединенные сверхвысокочастотный генератор, амплитудный модулятор, резонатор, детектор, первый перестраиваемый генератор, подключенный ко второму входу амплитудного модулятора, второй перестраиваемый генератор, первый усилитель и последовательно соединенные второй усилитель, делитель напряжения, блок сравнения и управляющий элемент, при этом второй перестраиваемый генератор подключен к третьему входу амплитудного модулятора, к выходу детектора подключены входы второго усилителя и первого усилителя, выход которого соединен с другим входом блока управления, а выход управляющего элемента соединен с входом первого перестраиваемого генератора. Для вычисления добротности резонатора через него пропускают сигнал, модулированный двумя частотами F₁ и F₂, и из сложного по гармоническому составу сигнала на детекторе выделяют и затем усиливают первые гармоники частот F₁ и F₂. Отношение амплитуд этих частот однозначно характеризует добротность резонатора, при этом вид характеристики детектора не влияет на результаты измерений.

Недостаток этого устройство - сложность изготовления и настройки.

Известно устройство для определения нагруженной добротности СВЧ резонатора при измерении тангенса угла потерь подложек интегральных схем. (В.Г. Дувинг, Ю.П. Науменко. Метод определения добротности СВЧ резонаторов при измерении потерь в диэлектрических материалах. - Электронная техника, сер. 1 - Электроника СВЧ, вып. 7, 1987, с. 46-48). Устройство, которое реализует описанный метод, содержит последовательно соединенные элементы - генератор, первый направленный ответвитель, переменный аттенюатор, второй направленный ответвитель, ферритовый вентиль, резонатор, первый ваттметр. К боковому каналу первого направленного ответвителя подключен частотомер. К боковому каналу второго направленного ответвителя подключен второй ваттметр. Изменение резонансной частоты резонатора при наложении на него испытуемого диэлектрика используется для определения диэлектрической проницаемости, а изменение нагруженной добротности резонатора - для вычисления тангенса угла потерь. Коэффициент передачи (затухания) резонатора определяется на основе измерения мощности сигнала двумя ваттметрами, подключенными ко входу (через второй направленный ответвитель) и выходу резонатора. К достоинствам этого устройства относится высокая точность измерения нагруженной добротности СВЧ резонатора, которая на порядок лучше точности, обеспечиваемой известным устройством для измерения добротности, использующим метод определения ширины полосы частот резонатора на уровне половинной мощности резонансной кривой.

Недостаток устройства - это возрастание погрешности измерения малых изменений нагруженной добротности резонатора за счет небольшой нестабильности нулевого значения обоих независимых друг от друга цифровых ваттметров (так называемый "дрейф нуля"), которая сказывается на погрешности определения тангенса угла потерь газов и пленочных материалов, когда изменения значений добротности составляет единицы и десятки единиц на уровне 1300-1700.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство для измерения затухания четырехполюсника в СВЧ диапазоне, содержащее последовательно соединенные элементы - согласованный генератор, первый направленный ответвитель, измеряемый четырехполюсник, второй направленный ответвитель, согласованная нагрузка. Боковые каналы обоих направленных ответвителей подсоединены к волноводному переключателю, с помощью которого имеющийся в устройстве ваттметр подсоединяется к боковому каналу или первого, или второго направленного ответвителя (А.М.Чернушенко, А.В.Майбородин. Измерение параметров электронных приборов дециметрового и сантиметрового диапазонов волн. - М. : Радио и связь, 1986, с. 124). Устройство эффективно при измерении коэффициента передачи четырехполюсников с малым переходным затуханием, поскольку в нем для измерения мощности сигнала используется один ваттметр и исключаются недостатки устройства с двумя независимыми ваттметрами.

Недостатком этого устройства является возрастание погрешности измерения затухания четырехполюсников с большим проходным затуханием (порядка 10 - 15 дБ), таких как резонаторов с высоким значением добротности. Эта погрешность обусловлена изменением КСВ (коэффициента стоячей волны) в боковых каналах направленных ответвителей при переключении ваттметра, так как каждый канал поочередно нагружен или на согласованный вход ваттметра, или коротко замкнут.

Задачей изобретения является повышение точности измерения нагруженной добротности резонатора при определении параметров материалов.

Эта задача решается тем, что в устройство для измерения нагруженной добротности сверхвысокочастотного резонатора, содержащее ваттметр и последовательно соединенные генератор, направленный ответвитель, ферритовый вентиль, резонатор, первую согласованную нагрузку, введены вторая согласованная нагрузка и две пластины - неподвижная и подвижная, наложенные одна на другую, с отверстиями, равными сечению волновода на выходе резонатора, при этом выход резонатора подсоединен к первому отверстию неподвижной пластины, а боковой канал направленного ответвителя - ко второму отверстию этой же пластины, ваттметр подсоединен к среднему из трех отверстий подвижной пластины, а к двум другим отверстиям подсоединены первая и вторая согласованные нагрузки, и расстояния между отверстиями на обеих пластинах равны, при этом подвижная пластина может принимать два фиксированных положения, в которых отверстия на обеих пластинах совпадают.

Изобретение поясняется чертежами на фиг. 1 - фиг. 5, где 1 - генератор, 2 - направленный ответвитель, 3 - ферритовый вентиль, 4 - резонатор, 5 - волновод на выходе резонатора, 6 - неподвижная пластина, 7 - волновод, подсоединенный к боковому каналу направленного ответвителя, 8 - подвижная пластина, 9 - ваттметр (выносная термисторная головка, соединенная гибкими проводниками с индикаторным блоком ваттметра), 10 - первая согласованная нагрузка, 11 - вторая согласованная нагрузка.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства.

На фиг. 2 показана неподвижная пластина 6, имеющая два прямоугольных отверстия, размеры которых равны внутренним размерам волноводов 5 и 7, и расстояние между осевыми сечениями которых равно d.

На фиг. 3 показана подвижная пластина 8, имеющая три прямоугольных отверстия с размерами, совпадающими с размерами отверстий на неподвижной пластине и с такими же расстояниями d между ними.

На фиг. 4 показаны наложенные друг на друга пластины 6 и 8 в первом фиксированном положении, в котором ваттметр 9 (его выносная термисторная головка) подключен к волноводу 5, а вторая согласованная нагрузка 11 подключена к волноводу 7.

На фиг. 5 показаны пластины 6 и 8 во втором фиксированном положении, в котором ваттметр 9 подключен к волноводу 7, а первая согласованная нагрузка 10 подключена к волноводу 5.

Процесс измерения нагруженной добротности резонатора на предварительно настроенном устройстве заключается в следующем. Устанавливают подвижную пластину 8 в первое положение, в котором выход резонатора 4 оказывается подключенным к согласованному входу ваттметра 9. При этом боковой канал направленного ответвителя 2 через волновод 7 подключен ко второй согласованной нагрузке 11. Подстройкой частоты генератора 1 получают максимальное показание P_вых.о ваттметра 9, соответствующее выходной мощности резонатора на резонансной частоте. Переводят подвижную пластину 8 во второе фиксированное положение, в котором согласованный вход ваттметра 9 подключается к боковому каналу направленного ответвителя через волновод 7 вместо второй согласованной нагрузки 11, и отсчитывают показание ваттметра P_отв.о, соответствующее мощности на входе резонатора, уменьшенной на величину, равную сумме затухания бокового канала направленного ответвителя 2 и прямых потерь ферритового вентиля 3. Во втором положении подвижной пластины выход резонатора нагружен на первую согласованную нагрузку 10.

Затем опять переводят подвижную пластину в первое положение, помещают испытуемый материал в резонатор и опять подстройкой генератора 1 получают новое максимальное показание ваттметра P_вых.м Подстройка частоты в этом случае необходима из-за изменения резонансной частоты резонатора, величина которой зависит от диэлектрической проницаемости испытуемого материала. Переводят подвижную пластину 8 во второе фиксированное положение и отсчитывают мощность P_отв.м, соответствующую мощности на входе резонатора с испытуемым материалом.

Нагруженная добротность резонатора с испытуемым материалом _нм вычисляется по формуле



где Q_но - нагруженная добротность резонатора при отсутствии испытуемого материала, определяемая при настройке устройства.

P_вых.о - мощность на выходе резонатора на резонансной частоте,

P_отв.о - мощность в боковом канале направленного ответвителя,

P_вых.м - мощность на выходе резонатора с испытуемым материалом на резонансной частоте,

P_отв.м - мощность в боковом канале направленного ответвителя в случае резонатора с испытуемом материалом.

В этой формуле предполагается, что при перестройке частоты переходное затухание направленного ответвителя и прямые потери ферритового вентиля не меняются.

Если при настройке устройства путем регулировки связи резонатора с внешними цепями установить равенство P_отв.о = P_вых.о, которое получается при одинаковом переходном затухании резонатора, с одной стороны, и бокового канала направленного ответвителя в сумме с прямыми потерями ферритового вентиля, с другой стороны, то расчетная формула для добротности резонатора упрощается и принимает вид



Повышение точности измерения на предлагаемом устройстве достигается за счет стабильности значений внешних добротностей резонатора, не изменяющихся при переключении ваттметра, так как выход резонатора и цепь контроля его входной мощности в обоих случаях нагружены или на согласованный вход ваттметра, или на согласованные нагрузки. Кроме этого, в некоторой мере и за счет полученного стабильного значения параметра КСВ в волноводе у выхода генератора, исключающего затягивания (изменения) его частоты при переключении ваттметра.

Предварительная настройка устройства заключается в следующем. Устанавливают желаемую величину связи резонатора с внешними цепями. Затем определяют нагруженную добротность резонатора Q_но каким-либо известным способом, например, измерением ширины полосы частот резонатора на уровне 3 дБ (Ф. Термен, Дж. Петтит. Измерительная техника в электронике. - М.: Иностранная литература, 1955, с. 166). Для этого к устройству подключают частотомер через боковой канал дополнительного направленного ответвителя, который помещают между генератором и направленным ответвителем устройства. Для уменьшения погрешности определения нагруженной добротности Q_но производят многократные измерения добротности выбранным методом и затем усредняют результаты измерений. В дальнейшем полученное значение Q_но при неизменной связи входа и выхода резонатора в процессе измерений Q_нм не изменяется. Для измерений материалов с малыми диэлектрическими потерями или пленочных материалов, при которых с полем резонатора взаимодействует очень малый объем вещества, желательно начальную нагруженную добротность Q_но выбирать как можно больше. Выбор параметров P_вых.о и P_отв.о, равными или по крайней мере близкими по величине, повышает точность измерения Q_нм за счет того, что в этом случае процесс измерений ваттметром всех параметров, входящих в расчетную формулу, происходит с одинаковой погрешностью. Например, цифровой ваттметр M3-51 имеет интервал измерения мощности 0...10 мВт и погрешность измерения до 10%, причем погрешность измерения в разных точках интервала различная. При измерении Q_нм достаточно использовать узкий диапазон значений мощности на выходе резонатора от нуля до 50...100 мкВт, в котором все получаемые данные будут иметь одинаковую погрешность измерения. Кроме того, достоинством предложенного устройства является очень малое влияние погрешности ваттметра, а также "дрейфа" его нуля, на результаты измерения Q_нм. Это подтверждают результаты расчета, приведенные в таблице. При максимальной погрешности ваттметра M3-51 с использованием значений P_вых.м и P_отв.м для двух случаев, один из которых принят за истинное значение параметров, а другой - за измеренное значение, различающихся на 10%, полученные расчетные величины Q_нм отличаются на 0,093%. Расчет проведен по формуле (2).

Предельная разрешающая способность устройства Q_min в определении Q_нм с использованием цифрового ваттметра M3-51 обусловлена его минимальным отсчетом мощности в 0,1 мкВт и при Q_но = 1500 составляет: т.е. Q_min=Q_но- Q_нм=1,5.

Для упрощения изготовления и сборки устройства часть волновода 7 можно выполнить в виде гофрированного гибкого волновода.

Предложенное устройство позволяет на основе резонансного метода измерять с высокой разрешающей способностью нагруженную добротность сверхвысокочастотного резонатора с исследуемым диэлектрическим материалом, который может быть твердым, газообразным или жидким и помещаться внутрь резонатора или накладываться снаружи резонатора на отверстие в его стенке. Полученное значение добротности можно использовать, например, для расчета тангенса угла потерь материалов, причем его точность будет определяться аналитическим соотношением для конкретного типа применяемого резонатора. Для разработки устройства и проведения экспериментов с измерением Q_нм был использован коаксиальный резонатор в 3 см диапазоне длин волн с отверстием в торцевой стенке и результаты измерения нагруженной добротности этого резонатора применялись для локального определения тангенса угла потерь плоских диэлектрических подложек интегральных схем и пленочных материалов толщиной от 10 мк до 2 мм.