Устройство для измерения характеристик резонансных структур

 

Техническое решение относится к технике резонансных радиотехнических измерений для вычисления и мониторинга комплексной диэлектрической проницаемости материалов. Заявленное устройство осуществляет генерацию одночастотного зондирующего колебания, преобразует его в многочастотное, подает данное многочастотное колебание на вход и принимает с выхода резонансной структуры, перестраивает частоту зондирующего колебания в диапазоне измерений, соответствующем полосе частот резонансной структуры, после чего регистрируют изменения параметров, по которым определяют резонансную частоту fр, амплитуду Uр и добротность Q резонансной структуры. Устройство для измерения характеристик резонансных структур содержит последовательно соединенные перестраиваемый по частоте генератор, преобразователь одночастотного колебания в многочастотное, коммутатор и детектор, а также содержит контроллер управления и измерения характеристик резонансных структур, последовательно соединенные с коммутатором первую линию передачи, резонансную структуру и вторую линию передачи, где второй выход коммутатора подключен к входу первой линии передачи, а второй вход коммутатора подключен к выходу второй линии передачи, дополнительно введены перестраиваемые избирательные фильтры соответственно первой и второй разностных частот, подключенные входами параллельно к выходу детектора, выходами соответственно к первому и второму входам контроллера управления и измерения характеристик резонансных структур, а перестраиваемый по частоте генератор, преобразователь одночастотного колебания в многочастотное, коммутатор, контроллер управления и измерения характеристик резонансных структур и перестраиваемые избирательные фильтры и соответственно первой и второй разностных частот имеют входы/выходы управления, объединенные в шину управления. Решаемая техническая задача заключается в повышении чувствительности и точности измерений. 1 с.п. ф-лы, 3 илл.

Техническое решение относится к технике резонансных радиотехнических измерений, в частности, к устройствам для измерения характеристик резонансных структур, таких как резонансная частота, амплитуда и добротность, которые затем используются для вычисления и мониторинга комплексной диэлектрической проницаемости различных материалов, например, в ходе технологического процесса отверждения термореактивных полимеров. Базовым элементом таких устройств является планарный, линейный или объемный резонансный датчик, у которого меняется резонансная частота, амплитуда и добротность, как после его заполнения полимером, так и в силу приобретения полимером в ходе технологического процесса отверждения новых физико-химических свойств и соответствующего изменения его электрофизических характеристик.

Известно устройство для измерения характеристик резонансных структур (см. Патент США 6617861 B1 «Устройство и метод для измерения и мониторинга комплексной диэлектрической проницаемости материалов», 324/637, МПК 8 G01R 27/04, 09.09.2003), которое содержит соединенные между собой перестраиваемый по частоте генератор и коммутатор, детектор и контроллер управления и измерения характеристик резонансных структур, а также последовательно соединенные первую линию передачи, резонансную структуру и вторую линию передачи, при этом первый выход коммутатора подключен к входу первой линии передачи, его второй вход к выходу второй линии передачи, а второй выход к входу детектора, перестраиваемый по частоте генератор, коммутатор, детектор и контроллер управления и измерения характеристик резонансных структур имеют входы/выходы управления, объединенные в шину управления.

Устройство работает следующим образом. Генерируют зондирующее одночастотное колебание в перестраиваемом по частоте генераторе, подают его на первый вход коммутатора и далее с его первого выхода по первой линии передачи на вход резонансной структуры. Принимают выходное колебание резонансной структуры через второй выход коммутатора при измерениях на отражение (переключая коммутатор в режим «циркулятора») или по второй линии передачи через второй вход и второй выход коммутатора при измерениях на пропускание (переключая коммутатор в режим «двойного Т-моста»), перестраивают частоту зондирующего колебания с заданным шагом в диапазоне измерений, соответствующем полосе частот резонансной структуры, регистрируют изменения его амплитуды или мощности, по которым после завершения цикла измерений с помощью специального математического обеспечения определяют резонансные частоту f р, амплитуду Uр и

добротность Q резонансной структуры в контроллере управления и измерения характеристик резонансных структур. Управление режимом измерений (на отражение или пропускание), процессом перестройки частоты перестраиваемого по частоте генератора, режимом работы детектора осуществляется контроллером управления и измерения характеристик резонансных структур по шине управления, а получение им данных об амплитуде или мощности выходного колебания с резонансной структуры осуществляется с выхода детектора.

Данное устройство использует оборудование, применимое в условиях производства и реальных технологических процессов. Его недостатком является использование широкополосного пикового детектора мощности СВЧ диапазона, ширина полосы пропускания которого может достигать 1-10 ГГц и определяется характеристиками обрабатываемых материалов и диапазоном измерений. Спектральное измерение мощности характеризуется малым отношением сигнал/шум, обусловленным как широкой полосой и гомодинным характером приема выходного колебания резонансной структуры, так и наличием интенсивных шумов пикового детектора низкочастотной природы. Все это приводит к появлению дополнительных источников погрешностей измерения характеристик резонансных структур и снижению их точности в целом.

Прототипом технического решения является устройство для измерения характеристик резонансных структур (см. Патент РФ 124812 U1 на полезную модель «Устройство для измерения характеристик резонансных структур», МПК G01R 27/04, 25.09.2012), которое содержит последовательно соединенные перестраиваемый по частоте генератор, преобразователь одночастотного колебания в многочастотное, выполненный как преобразователь одночастотного колебания в двухчастотное, коммутатор и детектор, контроллер управления и измерения характеристик резонансных структур, а также последовательно соединенные первую линию передачи, резонансную структуру и вторую линию передачи, при чем второй выход коммутатора подключен к входу первой линии передачи, а второй вход к выходу второй линии передачи, при этом перестраиваемый по частоте генератор, преобразователь одночастотного колебания в многочастотное, коммутатор и контроллер управления и измерения характеристик резонансных структур имеют входы/выходы управления, объединенные в шину управления.

Устройство работает следующим образом. Для измерения характеристик резонансных структур с помощью перестраиваемого по частоте генератора генерируют исходное одночастотное колебание, которое преобразуют в зондирующее колебание в преобразователе одночастотного колебания в двухчастотное. В соответствии с поданной командой этого с контроллера управления и измерения характеристик резонансных структур зондирующее колебание в преобразователе одночастотного колебания в двухчастотное формируют двухчастотным, состоящим из двух одночастотных сигналов равной амплитуды соответственно на частотах f11 и f12. Для его формирования в перестраиваемом по частоте генераторе генерируют среднюю частоту равную fС=(f11+f12)/2, средняя частота поступает в преобразователь одночастотного колебания в двухчастотное, в котором по полученной команде задают начальную разностную частоту между формируемыми составляющими двухчастотного зондирующего колебания fР1=f11-f12, как правило, меньшую или равную ширине полосы пропускания резонансной структуры, при этом сама средняя частота подавляется.

Затем передают зондирующее колебание к резонансной структуре через коммутатор и первую линию передачи. В зондирующем колебании, проходящем через резонансную структуру, происходит изменение амплитуд составляющих, они становятся не равными в зависимости от взаимного положения его средней частоты fС и резонансной частоты fР резонансной структуры.

Далее принимают зондирующее колебание после воздействия на резонансную структуру на детекторе. При этом возможна реализация двух режимов приема в зависимости от типа резонансной структуры, приспособленной для работы на отражение или пропускание. При работе на отражение включают коммутатор в режим «циркулятора», так что отраженное от резонансной структуры выходное двухчастотное колебание через первую линию передачи и первый выход коммутатора поступает на второй выход коммутатора и далее на детектор. При работе на пропускание включают коммутатор в режим «двойного Т-моста», так что прошедшее через резонансную структуру выходное двухчастотное колебание через вторую линию передачи и второй вход коммутатора поступает на второй выход коммутатора и далее на детектор. На выходе детектора образуется сигнал, соответствующий огибающей биений двух составляющих выходного двухчастотного колебания, отраженного от или прошедшего через резонансную структуру.

Далее перестраивают среднюю частоту fС зондирующего двухчастотного колебания с заданным шагом в диапазоне измерений, соответствующем полосе частот резонансной структуры с сохранением постоянной в ходе перестройки разностной частоты fР1.

В ходе перестройки в контроллере управления и измерения характеристик резонансных структур регистрируют изменение средней частоты зондирующего колебания fС =(f11-f12)/2 и измеряют коэффициент модуляции m его огибающей на выходе детектора, по достижении которым значения m=1 определяют резонансную частоту fР резонансной структуры, как равную значению средней частоты fС в данный момент времени и измеряют соответствующую ему амплитуду огибающей зондирующего колебания U1 на выходе резонансной структуры.

В данный момент останавливают изменение средней частоты fС зондирующего колебания, и на преобразователь одночастотного колебания в двухчастотное подают команду для изменения начальной разностной частоты fР1 на определенную величину 2f, так что значения частот составляющих зондирующего колебания становятся равны соответственно f21=f11 -f и f22=f12+f, а второе значение разностной частоты fР2=fР1+2f не превышает полосы пропускания резонансной структуры. Далее фиксируют амплитуду огибающей сигнала биений компонент зондирующего колебания U2 на выходе детектора.

Далее вычисляют резонансную амплитуду UР резонансной структуры по выражению:

,

где =U2fР2/U1fР1 и добротность Q резонансной структуры по выражению:

где i=1, 2.

Таким образом, измеряя на выходе детектора:

- коэффициент модуляции m огибающей сигнала биений компонент зондирующего колебания, отраженного от или прошедшего через резонансную структуру, определяют резонансную частоту fР при равенстве m=1;

- амплитуды U1 и U2 огибающей сигнала биений компонент зондирующего колебания, отраженного от или прошедшего через резонансную структуру, определяют резонансную амплитуду UР при разных разностных частотах fР1 и fР2 и настройке на резонансную частоту f С=fР,

- далее вычисляют по полученным значениям добротность Q резонансной структуры.

Данное устройство использует оборудование, применимое в условиях производства и реальных технологических процессов. Его использование позволяет избавиться от шумов низкочастотной природы. Однако недостатком устройства является использование широкополосного детектора огибающей СВЧ диапазона, ширина полосы пропускания которого может достигать 100-1000 МГц и определяется значением большей разностной частоты двухчастотного зондирующего колебания. Данная полоса пропускания меньше чем у аналога, однако, и в этом случае вклад шумов при обработке сигнала на выходе детектора будет значительным, что приводит к снижению чувствительности измерений.

Решаемая техническая задача заключается в повышении чувствительности измерений.

Решаемая техническая задача в устройстве для измерения характеристик резонансных структур, содержащем последовательно соединенные перестраиваемый по частоте генератор, преобразователь одночастотного колебания в многочастотное, коммутатор и детектор, а также содержащем контроллер управления и измерения характеристик резонансных структур, последовательно соединенные с коммутатором первую линию передачи, резонансную структуру и вторую линию передачи, где второй выход коммутатора подключен к входу первой линии передачи, а второй вход коммутатора подключен к выходу второй линии передачи, достигается тем, что преобразователь одночастотного колебания в многочастотное выполнен как формирователь двух двухчастотных колебаний с равными или попарно равными амплитудами составляющих, с одинаковой средней частотой и разными разностными частотами и дополнительно введены перестраиваемые избирательные фильтры соответственно первой и второй разностных частот, подключенные входами параллельно к выходу детектора, выходами соответственно к первому и второму входам контроллера управления и измерения характеристик резонансных структур, а перестраиваемый по частоте генератор, преобразователь одночастотного колебания в многочастотное, коммутатор, контроллер управления и измерения характеристик резонансных структур и перестраиваемые избирательные фильтры соответственно первой и второй разностных частот имеют входы/выходы управления, объединенные в шину управления.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства.

На фиг. 2 показано спектральное расположение двух двухчастотных колебаний относительно резонансной структуры в случае совпадения их средней частоты fС с резонансной частотой fР резонансной структуры, где f11 и f12, f21 f22 - частоты составляющих двух двухчастотных зондирующих колебаний на выходе преобразователя одночастотного колебания в многочастотное; fс=(f 12+f11)/2=(f22+f21)/2 - средняя частота двух двухчастотных зондирующих колебаний; fР1=f12-f11 и fР2=f22-f21 - первая и вторая разностные частоты двухчастотных зондирующих колебаний; fр - резонансная частота резонансной структуры; U 1 и U2 - амплитуды составляющих двух двухчастотных зондирующих колебаний, отраженные от или прошедшие через резонансную структуру и выделенные соответственно на первой и второй

разностных частотах fр1 и fР2 на выходе перестраиваемых избирательных фильтров и первой и второй разностных частот; UР - резонансная амплитуда резонансной структуры.

На фиг. 3 показана относительная обобщенная расстройка полосы пропускания резонансной структуры. Отображена зависимость коэффициента модуляции m1 огибающей биений сигналов первого двухчастотного колебания, полученного на выходе преобразователя одночастотного колебания в многочастотное, прошедшего через или отраженного от резонансной структуры и зарегистрированных на выходе перестраиваемого избирательного фильтра первой разностной частоты, от относительной обобщенной расстройки полосы пропускания резонансной структуры.

В приложении 1 представлен алгоритм управления контроллером управления и измерения характеристик резонансных структур отдельными блоками устройства в ходе измерений через шину управления, в приложении 2 дан алгоритм работы контроллера управления и измерения характеристик резонансных структур для осуществления измерений характеристик резонансных структур.

Устройство для измерения характеристик резонансных структур (фиг. 1) содержит последовательно соединенные перестраиваемый по частоте генератор 1, преобразователь 2 одночастотного колебания в многочастотное, коммутатор 3 и детектор 4, а также содержит контроллер 5 управления и измерения характеристик резонансных структур, последовательно соединенные с коммутатором 3 первую линию передачи 6, резонансную структуру 7 и вторую линию передачи 8, где второй выход коммутатора 3 подключен к входу первой линии передачи 6, а второй вход коммутатора 3 подключен к выходу второй линии передачи 8, причем преобразователь 2 одночастотного колебания в многочастотное выполнен как формирователь двух двухчастотных колебаний с равными или попарно равными амплитудами составляющих, с одинаковой средней частотой и разными разностными частотами и дополнительно введены перестраиваемые избирательные фильтры 9 и 10 соответственно первой и второй разностных частот, подключенные входами параллельно к выходу детектора 4, выходами соответственно к первому и второму входам контроллера 5 управления и измерения характеристик резонансных структур, а перестраиваемый по частоте генератор 1, преобразователь 2 одночастотного колебания в многочастотное, коммутатор 3, контроллер 5 управления и измерения характеристик резонансных структур и перестраиваемые избирательные фильтры 9 и 10 соответственно первой и второй разностных частот имеют входы/выходы управления, объединенные в шину управления 11.

Изображенными на фиг. 1 штриховыми линиями условно показаны первая 6 и вторая 8 линии передачи, выполненные на основе коаксиального кабеля. Соединения между перестраиваемым по частоте генератором 1, преобразователем 2 одночастотного колебания в многочастотное, коммутатором 3 и детектором 4 также показаны штриховыми линиями, поскольку имеют отношения к СВЧ блокам. Тип используемых соединений (полосковый, коаксиальный, волноводный и т.д.) условно не показан, поскольку они могут быть выполнены в любом исполнении, в том числе и интегральном при интегральном объединении всех блоков устройства для измерения характеристик резонансных структур. Система электропитания блоков, входящих в состав устройства для измерения характеристик резонансных структур, условно не показана.

На фиг. 2 показано спектральное расположение двух двухчастотных колебаний на выходе резонансной структуры 7 в случае совпадения их средней частоты fС с резонансной частотой fР резонансной структуры 7.

Изображенные на фиг. 2 составляющие первого и второго двухчастотных колебаний f11, f21, f 22, f12 и их расположение показаны в случае совпадения их средней частоты fС=(f12+f 11)/2=(f22+f21)/2 с резонансной частотой fР резонансной структуры 7. Сигнал, зондирующий резонансную структуру 7, в отличие от существующих аналогов и прототипа представляет собой два двухчастотных колебания соответственно с составляющими f11, f12 и f21, f22 с различными разностными частотами fР1=f12-f11 и fР2=f22-f21. Исходные амплитуды составляющих U'11 U'12 и U'21, U'22 на выходе преобразователя 2 одночастотного колебания в многочастотное равны U' 11=U'12=U'21=U'22 или попарно равны U'11=U'12 и U'21=U'22. В случае совпадения их средней частоты fС с резонансной частотой f Р резонансной структуры амплитуды составляющих первого и второго двухчастотных колебаний, отраженные от или прошедшие через резонансную структуру 7 будут равны попарно U1 =U11=U12 и U2=U21 =U22.

На фиг. 3 показана относительная обобщенная расстройка полосы пропускания резонансной структуры. Отображена зависимость коэффициента модуляции m1 огибающей биений сигналов первого двухчастотного колебания, полученного на выходе преобразователя 2 одночастотного колебания в многочастотное, прошедшего через или отраженного от резонансной структуры 7 и зарегистрированного на выходе перестраиваемого избирательного фильтра 9 первой разностной частоты, от относительной обобщенной расстройки полосы пропускания резонансной структуры 7.

Изображенная на фиг. 3 зависимость коэффициента модуляции m 1 огибающей биений первого двухчастотного колебания на разностной частоте fР1 от относительной обобщенной расстройки полосы пропускания резонансной структуры 7 представлена для случая, когда разностная частота fР1 меньше или равна ширине ее полосы пропускания. Характерной точкой данной зависимости является точка нулевой относительной обобщенной расстройки, которая соответствует равенству средней частоты fС зондирующего колебания резонансной частоте fР резонансной структуры 7. В этом случае коэффициент модуляции т1 огибающей сигнала биений первого двухчастотного колебания на разностной частоте fР1, зарегистрированный на выходе перестраиваемого избирательного фильтра 9 первой разностной частоты будет равен единице.

Все сказанное выше относится и к зависимости коэффициента модуляции m2 огибающей биений второго двухчастотного колебания с разностной частотой fР2. В этом случае коэффициент модуляции m 2 огибающей сигнала биений второго двухчастотного колебания с разностной частотой fР2, зарегистрированный на выходе перестраиваемого избирательного фильтра 10 второй разностной частоты будет равен единице.

Факт равенства коэффициентов модуляции m1 и m2 единице для огибающих сигналов биений первого и второго двухчастотных колебаний с разностными частотами fР1 и fР2, зарегистрированных на выходе перестраиваемых избирательных фильтров 9 и 10 первой и второй разностных частот используется для принятия решения об определении резонансной частоты fР=fС.

Рассмотрим работу устройства для измерения характеристик резонансных структур.

Для начала работы с устройством производят включение блоков к сети электропитания согласно их нормируемому напряжению.

Для измерения характеристик резонансных структур с помощью перестраиваемого по частоте генератора 1 генерируют исходное одночастотное колебание, которое преобразуют в зондирующее колебание в преобразователе 2 одночастотного колебания в многочастотное.

Для этого с контроллера 5 управления и измерения характеристик резонансных структур через шину управления 11 подается команда управления параметрами генерации перестраиваемого по частоте генератора 1 преобразования в преобразователе 2 одночастотного колебания в многочастотное и настройки перестраиваемых избирательных фильтров 9 и 10 первой и второй разностной частот. Алгоритм управления контроллером 5 управления и измерения характеристик резонансных структур отдельными блоками устройства в ходе измерений через шину управления 11 представлен в Приложении 1.

В соответствии с поданной командой зондирующий сигнал в преобразователе 2 одночастотного колебания в многочастотное формируют состоящим из двух двухчастотных колебаний соответственно с составляющими f11, f12 и f21, f22 одинаковой амплитуды U'11=U'12 =U'21-U'22 или попарно одинаковой амплитуды U'11=U'12 и U' 21=U'22. Для его формирования в перестраиваемом по частоте генераторе 1 генерируют среднюю частоту равную f С=(f12+f11)/2=(f22+f 21)/2. Средняя частота поступает в преобразователь 2 одночастотного колебания в многочастотное, в котором по полученной команде задают разностные частоты между формируемыми составляющими первого и второго двухчастотных колебаний соответственно fР1=f12-f11 и fР2=f22_f21 как правило, меньших или одна из которых равна ширине полосы пропускания резонансной структуры 7. При этом сама средняя частота подавляется. На сформированные разностные частоты fР1 и fР2 производится настройка перестраиваемых избирательных фильтров 9 и 10 первой и второй разностной частот.

Затем передают оба двухчастотных колебания к резонансной структуре 7 через коммутатор 3 и первую линию передачи 6. В обоих двухчастотных колебаниях, проходящих через или отраженных от резонансной структуры 7 происходит изменение амплитуд составляющих, они становятся неравными в зависимости от взаимного положения их средней частоты fС и резонансной частоты fР резонансной структуры 7.

Далее принимают оба двухчастотных колебания после воздействия на резонансную структуру 7 на детекторе 4. При этом возможна реализация двух режимов приема в зависимости от типа резонансной структуры 7, приспособленной для работы на отражение или пропускание.

- при работе на отражение в соответствии с алгоритмом управления по шине управления 11 включают коммутатор 3 по команде с контроллера 5 управления и измерения характеристик резонансных структур в режим «циркулятора», так что отраженные от резонансной структуры 7 выходные двухчастотные колебания через первую линию передачи 6 и первый выход коммутатора 3 поступают на второй выход коммутатора 3 и далее на детектор 4.

- при работе на пропускание в соответствии с алгоритмом управления по шине управления 11 включают коммутатор 3 по команде с контроллера 5 управления и измерения характеристик резонансных структур в режим «двойного Т-моста», так что прошедшие через резонансную структуру 7 выходные двухчастотные колебания через вторую линию передачи 8 и второй вход коммутатора 3 поступают на второй выход коммутатора 3 и потом на детектор 4.

На выходе детектора 4 образуются сигналы, отраженные от или прошедшие через резонансную структуру 7, соответствующие биениям первого и второго двухчастотных сигналов соответственно на частотах равных первой и второй разностным частотам fР1 и fР2, которые также соответственно выделяются перестраиваемыми избирательными фильтрами 9 и 10 первой и второй разностных частоты.

Далее в соответствии с алгоритмом управления подают команду по шине управления 11 с контроллера 5 управления и измерения характеристик резонансных структур на перестраиваемый по частоте генератор 1 для перестройки средней частоты двухчастотных колебаний с заданным шагом в диапазоне измерений, соответствующем полосе частот резонансной структуры 7 и на преобразователь 2 одночастотного колебания в многочастотное для сохранения постоянных в ходе перестройки разностных частот fР1 и fР2.

В ходе перестройки в контроллере 5 управления и измерения характеристик резонансных структур регистрируют изменение средней частоты fС двухчастотных колебаний и измеряют коэффициенты модуляции m1 и m2 огибающих на выходе перестраиваемых избирательных фильтров 9 и 10 первой и второй разностных частот. При достижении равенства средней частоты fС резонансной частоте fР резонансной структуры 7 (фиг. 2) значения m1 и m 2 становится равным единице (фиг. 3). Тогда останавливают перестройку средней частоты fС и определяют резонансную частоту fР резонансной структуры 7, как равную значению средней частоты fС в данный момент времени, и измеряют в данный момент времени амплитуду огибающих первой U1 и второй U2 пар двухчастотных колебаний на выходе резонансной структуры 7. Алгоритм работы контроллера 5 управления и измерения характеристик резонансных структур для осуществления измерений характеристик резонансных структур представлен в Приложении 2.

На фиг. 2 показано спектральное расположение двух двухчастотных колебаний на выходе резонансной структуры 7 в случае совпадения их средней частоты fС с резонансной частотой fР резонансной структуры 7.

Изображенные на фиг. 2 составляющие первого и второго двухчастотных колебаний f11, f21, f22, f 12 и их расположение показаны в случае совпадения их средней частоты fС=(f12+f11)/2=(f 22+f21)/2 с резонансной частотой fР резонансной структуры 7. Зондирующий резонансную структуру 7 сигнал в отличие от существующих аналогов и прототипа представляет собой два двухчастотных колебания соответственно с составляющими f11, f12 и f21, f22 с различными разностными частотами fР1=f12-f11 и fР2=f22-f21. Исходные амплитуды составляющих U'11, U'12 и U'21, U'22 на выходе преобразователя 2 одночастотного колебания в многочастотное равны U' 11=U'12=U'21=U'22 или попарно равны U'11=U'12 и U'21=U'22. В случае совпадения их средней частоты fС с резонансной частотой f Р резонансной структуры амплитуды составляющих первого и второго двухчастотных колебаний, отраженные от или прошедшие через резонансную структуру 7 будут равны попарно U1 =U11=U12 и U2=U21 =U22.

На фиг. 3 изображена зависимость коэффициента модуляции m1 огибающей биений сигналов первого двухчастотного колебания, полученного на выходе преобразователя 2 одночастотного колебания в многочастотное, прошедшего через или отраженного от резонансной структуры 7 и зарегистрированного на выходе перестраиваемого избирательного фильтра 9 первой разностной частоты, от относительной обобщенной расстройки полосы пропускания резонансной структуры 7.

Изображенная на фиг. 3 зависимость коэффициента модуляции m1 огибающей биений первого двухчастотного колебания на разностной частоте fР1 от относительной обобщенной расстройки полосы пропускания резонансной структуры 7 представлена для случая, когда разностная частота fР1 меньше или равна ширине ее полосы пропускания. Характерной точкой данной зависимости является точка нулевой относительной обобщенной расстройки, которая соответствует равенству средней частоты fС зондирующего колебания резонансной частоте fР резонансной структуры 7. В этом случае коэффициент модуляции m1 огибающей сигнала биений первого двухчастотного колебания на разностной частоте fР1, зарегистрированный на выходе перестраиваемого избирательного фильтра 9 первой разностной частоты будет равен единице.

Все сказанное выше относится и к зависимости коэффициента m2 модуляции огибающей биений второго двухчастотного колебания с разностной частотой fР2. В этом случае коэффициент модуляции m 2 огибающей сигнала биений второго двухчастотного колебания с разностной частотой fР2, зарегистрированный на выходе перестраиваемого избирательного фильтра 10 второй разностной частоты будет равен единице.

Факт равенства коэффициентов модуляции m1 и m2 единице для огибающих сигналов биений первого и второго двухчастотных колебаний с разностными частотами fР1 и fР2, зарегистрированный на выходе перестраиваемых избирательных фильтров 9 и 10 первой и второй разностных частот используется для принятия решения об определении резонансной частоты fР=fС.

Далее в соответствии с алгоритмом измерений в контроллере 5 управления и измерения характеристик резонансных структур вычисляют резонансную амплитуду Uр резонансной структуры 7 по выражению:

,

где =U2fР2/U1fР1 и добротность Q резонансной структуры 7 по выражению:

,

где i=1 или 2, fр-резонансная частота, fс - средняя частота, Ui - амплитуда огибающей зондирующего колебания, Uр - резонансная амплитуда, Q - добротность, m - коэффициент модуляции, fрi - разностная частота.

Таким образом, измеряя на выходе перестраиваемых избирательных фильтров 9 и 10 первой и второй разностных частот:

- коэффициенты модуляции m1 и m2 огибающих сигналов биений первого и второго двухчастотного колебания, отраженного от или прошедшего через резонансную структуру 7, определяют резонансную частоту fР=fС при равенстве m1 =m2=1;

- амплитуды огибающих первого U1, и второго U2 двухчастотного колебания, отраженных от или прошедших через резонансную структуру 7, определяют резонансную амплитуду Uр при разностных частотах fР1 и fР2 и настройке на резонансную частоту f С=fР;

- далее вычисляют по полученным значениям добротность Q резонансной структуры 7.

Перестраиваемые избирательные фильтры 9 и 10 первой и второй разностных частот выполнены перестраиваемыми для выполнения условия по соответствию значений разностных частот fР1 и fР2, которые должны быть меньше или одна из них равна полосе пропускания резонансной структуры 7.

Устройство для измерения характеристик резонансных структур может быть реализовано на следующих элементах, рассчитанных на работу в СВЧ диапазоне 1-5 ГГц:

- перестраиваемый по частоте генератор 1 - генератор AD9914 фирмы Analog Devices;

- преобразователь 2 одночастотного колебания в многочастотное -N-канальный синтезатор частот ADF4156 фирмы Analog Devices;

- коммутатор 3 - управляемые циркуляторы, двойные Т-мосты или комбинированные устройства фирм Microwave Devices или ФГУП «Исток»;

- детектор 4 - детектор огибающий ADL5511 фирмы Analog Devices;

- контроллер 5 управления и измерения характеристик резонансных структур - микропроцессорный контроллер на базе чипов фирм Atmel, Microchip и т.д.;

- первая и вторая линии передачи 6 и 8 - коаксиальные кабели типа РК, полосковые линии или отрезки волноводов в соответствии с полосой резонансной структуры;

- резонансная структура 7 - устройство может быть реализовано с использованием различных типов структур, конкретный вид которых определяется в зависимости от решаемых задач и, в свою очередь, от вида проводимых измерений: на отражение или на пропускание. Это могут быть полосковые, волноводные, кабельные, плоскостные и объемные резонаторы и т.д.;

- перестраиваемый избирательный фильтр 9 и 10 первой и второй разностных частот - фирма Agilent:;

- шина управления 11 - шины реализующие передачу сигналов управления и данных по протоколам Modbus, RS и других.

При реализации устройства для измерения характеристик резонансных структур все указанные блоки генерации, приема и обработки сигналов могут быть выполнены на едином кристалле в интегральном исполнении.

По сравнению с существующими устройствами (включая прототип) для измерения характеристик резонансных полосковых, волноводных, кабельных, плоскостных и объемных датчиков, которые характеризуются изменениями резонансной частоты, амплитуды и добротности в зависимости от изменения электрофизических параметров материалов, заполняющих их в ходе технологических процессов обработки, например, отверждения полимеров, предложенное устройство с многочастотным зондированием двумя двухчастотными колебаниями резонаторного датчика и измерением коэффициентов модуляции и амплитуд огибающих биений указанных двухчастотных колебаний после отражения от или прохождения через него с дальнейшим вычислением резонансных характеристик не требует применения широкополосного приема, а позволяет обрабатывать сигнал на частотах биений компонент первой и второй пар двухчастотных сигналов, равных разностным частотам между ними, и выделенных перестраиваемыми избирательными фильтрами первой и второй разностных частот, что существенно сужает полосу пропускания приемной части устройства (с сотен МГц до сотен Гц, что определяется полосой пропускания перестраиваемых избирательных фильтров первой и второй разностных частот и шириной линии генерации перестраиваемого по частоте генератора) и соответственно повышает отношение сигнал/шум измерений. Кроме того полоса пропускания перестраиваемых избирательных фильтров первой и второй разностных частот находится в области минимальных шумов детектора, что соответственно также повышает отношение сигнал/шум измерений.

При прямом детектировании собственные шумы детектора излучения превалируют над внешними и определяют пороговую мощность принимаемого сигнала. Выигрыш по отношению сигнал/шум можно вычислить с помощью следующего выражения:

,

где S(f) - спектральная плотность шума детектора. При этом выигрыш будет определяться в основном различной природой и уровнем шумов в различных частотных диапазонах, несмотря на некоторое увеличение требуемой полосы пропускания.

Для прямого детектирования диапазона {0, fпп} в пик-детекторе - это токовые шумы с распределением вида 1/f и другие мощные шумы и флуктуации низкочастотной природы. Для диапазона {fР2-fпп, fР2+fпп} детектора огибающей - это дробовой шум малой интенсивности, где fпп - полоса пропускания детектора, необходимая для регистрации амплитуды зондирующего колебания после его взаимодействия с резонансной структурой. Для измерений в СВЧ диапазоне выигрыш может составить 1-2 порядка.

При использовании перестраиваемых избирательных фильтров, настроенных на частоты огибающих и имеющих полосу пропускания в несколько сотен Гц, выигрыш по чувствительности может быть увеличен еще на 1-2 порядка. При этом выигрыш будет определяться разницей в полосе пропускания НЧ-фильтра детектора огибающей и перестраиваемых избирательных фильтров, настроенных на первую и вторую разностные частоты.

Кроме того, при реализации устройства из алгоритмов управления его блоками и измерения характеристик резонансных структур, отраженных в Приложении 1 и Приложении 2, были исключены операции, связанные с перестройкой разностной частоты, что позволило упростить их структуру по сравнению с прототипом.

Испытания опытного устройства измерения характеристик резонансных структур были проведены в лаборатории НОЦ «НИЦ прикладной электродинамики» Научно-исследовательского института прикладной электродинамики, фотоники и живых систем (НИИ ПРЭФЖС) КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева на резонансных структурах, выполненных на кабельных коаксиальных решетках Брэгга, изготовленных в НОЦ «Волоконно-оптические технологии» НИИ ПРЭФЖС КНИТУ-КАИ им. А.Н.Туполева. Устройства откалиброваны на векторных анализаторах цепей R&S Р8Н8. Калибровка подтверждена на векторных анализаторах цепей R&S ZWA50 в лаборатории «Электрофизических измерений» Института радиоэлектроники и телекоммуникаций (ИРЭТ) КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева.

Испытания показали, что использование зондирования двумя двухчастотными колебаниями резонансных структур и попарная регистрация амплитуд и коэффициентов модуляции огибающих биений его компонент на выходе перестраиваемых избирательных фильтров разностных частот, позволило достичь отношения сигнал/шум измерений ~60 дБ.

Все это позволяет говорить о достижении решения поставленной технической задачи - повышении чувствительности измерения характеристик резонансных структур.

Устройство для измерения характеристик резонансных структур содержащее последовательно соединённые перестраиваемый по частоте генератор, преобразователь одночастотного колебания в многочастотное, коммутатор и детектор, а также содержащее контроллер управления и измерения характеристик резонансных структур, последовательно соединённые с коммутатором первую линию передачи, резонансную структуру и вторую линию передачи, где второй выход коммутатора подключён к входу первой линии передачи, а второй вход коммутатора подключён к выходу второй линии передачи, отличающееся тем, что преобразователь одночастотного колебания в многочастотное выполнен как формирователь двух двухчастотных колебаний с равными или попарно равными амплитудами составляющих, с одинаковой средней частотой и разными разностными частотами и дополнительно введены перестраиваемые избирательные фильтры соответственно первой и второй разностных частот, подключенные входами параллельно к выходу детектора, выходами соответственно к первому и второму входам контроллера управления и измерения характеристик резонансных структур, а перестраиваемый по частоте генератор, преобразователь одночастотного колебания в многочастотное, коммутатор, контроллер управления и измерения характеристик резонансных структур и перестраиваемые избирательные фильтры соответственно первой и второй разностных частот имеют входы/выходы управления, объединённые в шину управления.



 

Наверх