КОЛЬЦЕВОЙ РЕЗОНАНСНЫЙ ГИРОСКОП СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА

Полезная модель относится к приборам ориентации, навигации и стабилизации и служит для определения одного компонента абсолютной угловой скорости или интеграла от нее подвижного объекта, на котором размещен прибор.
Известны приборы подобного типа, например, микроволновый гироскоп (US №386220, МПК G01P 15/08, 1975). Прибор содержит волноводный контур, на выходах которого наблюдаются два сигнала СВЧ, которым соответствуют две частоты электромагнитных колебаний микроволновых волн. Сигналы с выходов волноводного контура подаются на схему супергетеродинного типа, где с помощью схем радиоэлектроники (низкочастотных фильтров, усилителей, смесителей и других элементов) выделяется разность частот выходных сигналов волновода, пропорциональная измеряемой угловой скорости подвижного объекта.
Недостатком прибора являются большая сложность радиоэлектронной схемы супергетеродинного типа аппаратного исполнения и необходимость в периодическом ее тестировании на предмет определения и списания погрешностей.
Известен резонансный гироскоп сверхвысокочастотного диапазона (RU №116999, МПК G01C 19/64, опубл. 10.06.2012) - прототип. В его состав входят два митрона, каждый из которых состоит из установленных в вакуумированной полости резонаторов в виде холодного катода и концентричного ему резонансного анода со штырями и впадинами, а также электронная пушка, содержащая нить накала, подогревной катод и конический анод. В состав митрона также входят источник постоянного магнитного поля и электрод вывода информации, причем ось симметрии митронов, являющаяся измерительной по абсолютной угловой скорости объекта, параллельна оси магнитной индукции источника постоянного магнитного поля так, что измерительные оси митронов направлены встречно-параллельно. Два митрона размещены внутри единой вакуумированной полости на единой установочной поверхности корпуса прибора компланарно. Каждый резонансный анод состоит из малого и большого секторов, и каждый холодный катод - из малого и большого секторов, при этом большой сектор холодного катода первого митрона является неполным круговым, второго -неполным кольцевым, при этом первый из них охватывается соответствующим большим сектором резонансного анода по окружности, а второй охватывает по окружности второй большой сектор резонансного анода до центральной зоны, где напротив друг друга расположены малые секторы холодного катода и резонансного анода, содержащего по длине несколько штырей и впадин, образованные при этом совокупные резонансные аноды, состоящие из малых и больших соответствующих секторов анодов первого и второго митронов, содержат четные одинаковые количества штырей и впадин, расположенные с одинаковым угловым шагом.
Недостатком прототипа является то, что выделение разностной частоты выходных сигналов митронов, пропорциональной измеряемой абсолютной угловой скорости подвижного объекта, производится с помощью схемы вычитания на основе резисторов, а передача сигнала осуществляется по каоксиальным кабелям. Это приводит к появлению дополнительных погрешностей при неидентичности сопротивлений резисторов и потерям сигнала. Погрешность увеличивается для высоких несущих частот митронов, при которых возрастает влияние распределенных паразитных индуктивностей и емкостей переменных резисторов. Сама конструкция достаточно громоздка.
Задачей данной полезной модели является создание конструктивно более компактного кольцевого резонансного гироскопа сверхвысокочастотного диапазона, который будет выполнен на основе митронов с единым возбуждением и будет измерять фазовый угол волн стоячей картины, что позволит повысить точность выходной информации.
Технический результат полезной модели заключается в обеспечении условий повышения точности измерения прибором абсолютной угловой скорости подвижного объекта.
Поставленная задача решается тем, что кольцевой резонансный гироскоп сверхвысокочастотного диапазона, в состав которого входят два митрона, каждый из которых состоит из установленных в вакуумированной полости резонансных узлов в виде холодного катода и концентричного ему резонансного анода со штырями и впадинами, а также электронная пушка, содержащая нить накала, подогревной катод и конический анод, электронную схему обработки информации, в состав митрона также входят источник постоянного магнитного поля и два электрода вывода информации, причем ось симметрии митронов, являющаяся измерительной по абсолютной угловой скорости объекта, параллельна оси магнитной индукции источника постоянного магнитного поля, при этом измерительные оси митронов направлены встречно-параллельно, два митрона размещены внутри единой вакуумированной полости на единой установочной поверхности корпуса прибора компланарно, каждый резонансный анод состоит из малого и большого секторов, и каждый холодный катод - из малого и большого секторов, при этом большой сектор холодного катода первого митрона является неполным круговым, второго - неполным кольцевым, при этом первый из них охватывается соответствующим большим сектором резонансного анода по окружности, а второй охватывает по окружности второй большой сектор резонансного анода до центральной зоны, где напротив друг друга расположены малые секторы холодного катода и резонансного анода, содержащего по длине несколько штырей и впадин, образованные при этом совокупные резонансные аноды, состоящие из малых и больших соответствующих секторов анодов первого и второго митронов, содержат четные одинаковые количества штырей и впадин, расположенных с одинаковым угловым шагом, согласно заявляемому техническому решению дополнительно содержит устройство выделения разностной частоты в виде смесительного волновода, конструктивно выполненного в едином герметичном корпусе с митронами, при этом смесительный волновод является кольцевым герметичным резонансным волноводом с двумя входными электродами, соединенными с соответствующими электродами вывода информации митронов, так что электроды вывода информации митронов являются входными электродами смесительного волновода, а смесительный волновод расположен над митронами в параллельной плоскости, кроме этого, по периметру наружной окружности смесительного волновода расположены с одинаковым шагом несколько выходных электродов съема информации, конструктивно одинаковых с входными электродами, выходные электроды через коаксиальные кабели соединены с соответствующими входами электронной схемы обработки информации.
На фиг.1 представлена конструктивная схема кольцевого резонансного гироскопа сверхвысокочастотного диапазона (вид с одной и противоположной сторон со снятой крышкой).
Позициями на конструктивной схеме обозначены: 1 - первый резонансный узел; 2 - второй резонансный узел; 3 - малый сектор холодного катода; 4 - малый сектор резонансного анода; 5, 6 - электроды вывода информации митронов из резонансных узлов 1 и 2 соответственно; 7 - металлический герметичный корпус гироскопа; 8 - большой сектор катода узла 1, 9 - большой сектор анода узла 1, 10 - большой сектор катода узла 2; 11 - большой сектор анода узла 2; 12 - изоляционные прокладки; 13 - смесительный волновод; 14 и 15 - входные электроды смесительного волновода 4; 16 - стенка; 17 и 18 - перегородки первого и второго ответвителей; 19 - выходной электрод съема информации; 20, 21 - зубцы и впадины замедляющей системы. Не представлено подробное изображение единых корпуса, крышек, магнитной системы гироскопа, нужных для конструкции, но не влияющих на существо изменений кольцевого резонансного гироскопа СВЧ диапазона.
Кольцевой резонансный гироскоп СВЧ диапазона включает первый резонансный узел 1, «электронную пушку», источник постоянного магнитного поля и электрод 5 вывода информации из резонансного узла 1, образующие первый митрон. Второй митрон состоит из тех же элементов, за исключением того, что в нем другими являются резонансный узел 2 и электрод 6 вывода информации. Электронная пушка содержит нить накала, подогревной катод и конический анод. Митроны установлены внутри единой вакуумированной полости на единой установочной поверхности металлического герметичного корпуса 7 кольцевого резонансного гироскопа СВЧ диапазона компланарно. Причем ось симметрии митронов, являющаяся измерительной по абсолютной угловой скорости объекта, параллельна оси магнитной индукции источника постоянного магнитного поля, при этом измерительные оси митронов направлены встречно-параллельно.
Кольцевой резонансный гироскоп СВЧ диапазона дополнительно содержит устройство выделения разностной частоты в виде смесительного волновода 13, конструктивно выполненного в едином герметичном корпусе с митронами, при этом смесительный волновод 13 является кольцевым герметичным резонансным волноводом с двумя входными электродами 14 и 15, соединенными с соответствующими электродами вывода информации митронов 5 и 6, так что электроды вывода информации митронов 5 и 6 являются входными электродами смесительного волновода 14 и 15, а смесительный волновод 13 расположен над митронами в параллельной плоскости, кроме этого, по периметру наружной окружности смесительного волновода 13 расположены с одинаковым шагом несколько выходных электродов съема информации 19, конструктивно одинаковых с входными электродами 14 и 15, выходные электроды 19 через коаксиальные кабели соединены с соответствующими входами электронной схемы обработки информации. Выходной электрод 19 съема информации может быть выполнен, например в виде штыря гироскопа. В зависимости от длины волны общее количество штырей может достигать 8-16 штук, и они могут занимать не все кольцо, а его часть. На длине несущей волны укладываются 8 штырей, могут применяться штыри и для отвода лишней энергии
Резонансный узел 1 состоит из больших секторов катода 8, концентричного ему анода 9, а также из малых секторов катода 3 и анода 4, предназначенных для обеспечения левостороннего вращения электронного потока «электронной спицы». Резонансный узел 2 сосгоит из больших секторов катода 10, анода 11, а также малых секторов катода 3 и анода 4, предназначенных для обеспечения правостороннего вращения электронного потока «электронной спицы».
Каждый резонансный анод состоит из малого 3 и больших 9, 11 секторов, и каждый холодный катод - из малого 4 и больших 8, 10 секторов. При этом большой сектор холодного катода 8 первого митрона является неполным круговым, второго 10 - неполным кольцевым, при этом первый из них охватывается соответствующим большим сектором резонансного анода 9 по окружности, а второй охватывает по окружности второй большой сектор резонансного анода 11 до центральной зоны, где друг против друга расположены малые секторы холодного катода 3 и резонансного анода 4, содержащего по длине несколько штырей и впадин, образованные при этом совокупные резонансные аноды, состоящие из малых и больших соответствующих секторов анодов первого и второго митронов, содержат четные одинаковые количества штырей и впадин, расположенных с одинаковым угловым шагом.
Малое число зубцов и впадин 20, 21 у малого сектора анода 4 необходимо для обеспечения отсутствия синхронизации двух встречных потоков «электронных спиц». Их число (N), в резонансных узлах 1 и 2 с учетом промежутков между ними должно быть четным для обеспечения резонанса и вращения «электронных спиц». Аналогичные требования идентичности относятся и к угловому расстоянию между зубцами и промежутками. Это должно учитываться и для переходов от элемента 3 к элементу 10 и от элемента 4 к элементу 9.
Конструкция и материалы кольцевого резонансного гироскопа СВЧ диапазона - обычные для магнетронов и митронов. Все электроэлементы должны быть изолированы друг от друга и от корпусных частей прибора.
Работает кольцевой резонансный гироскоп СВЧ диапазона следующим образом. При включении питающих напряжений от источника питания в герметичной вакуумированной полости, заключенной в приборном корпусе 7, резонансные узлы 1 и 2 обеспечивают возбуждение электромагнитных волн. Это происходит за счет нагревания нитью накала катода, который эмиттирует электронное облако, устремляющееся благодаря положительному анодному напряжению анода в пространство непосредственного взаимодействия малых секторов катода 3 и анода 4, составляющих части резонаторов 1 и 2. Под влиянием электрического поля и магнитной индукции, создаваемой источником магнитного поля, т.е. в скрещенных электрическом и магнитном полях, траектории электронных потоков искривляются и приобретают две почти круговые траектории, одна из них располагается между большими секторами катода 8 и анода 9, другая, выходя из промежутка между малыми секторами катода 3 и анода 4, располагается между, большими секторами катода 10 и анода 11. Соответствующие двум траекториям два электронных потока образуют в областях больших секторов 8-9 и 10-11 вращающиеся в противоположных направлениях «электронные спицы». В меньшей по протяженности области между малыми секторами катода 3 и анода 4 непосредственного взаимодействия имеют место параллельные однонаправленные электронные потоки от взаимодействия скрещенных электрического и магнитного полей.
При невращающемся подвижном объекте, а, значит, и корпусе 7 (ω=0) частоты встречных электронных потоков одинаковы. Поэтому на выходных электродах 5 и 6 наблюдаются СВЧ сигналы одинаковой частоты v [Лебедев И.В. Техника и приборы сверхвысоких частот, т.2. М.: ВШ. 1972 с.270-271]:
где λ - длина электромагнитной волны в свободном пространстве (вакууме); с - скорость света; ν, Ω - частоты колебаний в свободном пространстве и в РГСВЧД; N - число штырей (впадин); n - число, определяющее сдвиг фаз в соседних впадинах; р=0; ±1; ±2… - число, кратное периоду (времени) пробега волны между соседними щелями, «+» соответствует положительному, «-» - отрицательному направлению вращения «электронных спиц». Обеспечению условий их наличия способствует блок источников питания.
1
2
При появлении угловой скорости подвижного объекта ω частота колебаний в резонаторе 1, например, уменьшится, а в резонаторе 2 увеличится так, что частота ν и ν будут различными.
1
2
c
c
Попадая от электродов 5 и 6 митронов на электроды 14 и 15 смесительного волновода 13, электрические напряжения частот ν и ν вызывают возникновение вокруг штырей 14 и 15 электромагнитных волн, распространяющихся встречно. Расстояния от каждого из штырей 14 и 15 до стенки 16 обеспечено конструкцией и составляет четверть длины волны в смесительном волноводе λ (См. книгу: В.Ф.Власов. Курс радиотехники. Госэнергоиздат, 1962 г., гл.9). При этом соотношении размеров обеспечивается согласование сигналов митронов с направленными ответвителями. Электромагнитные волны начинают распространяться в противоположные от стенок стороны, т.е. во встречных направлениях. Длина перегородки (См. книгу В.Ф.Власова) должна быть больше половины длины волны λ. Этому будет соответствовать длина каждой перегородки в угловом измерении (30-60) угл. град. Колебания поляризованы, что обеспечивается конструкцией металлического волновода, прямоугольного или иного сечения с тонкими гладкими стенками. Соотношения между размерами стенок и длиной волны несущего излучения обеспечивают существование электромагнитных волн. По выходе из ответвителей, создаваемых пространствами между стенкой смесительного волновода 16, перегородками 17 и 18 и крышками смесительного волновода 13, электромагнитные волны занимают все внутреннее пространство. Для этого перегородки 17 и 18 должны быть удалены на равные расстояния от стенок смесительного волновода 13.
При интерференции двух встречных потоков электромагнитных волн образуется квазистоячая волна Δν, частота которой пропорциональна угловой скорости ω подвижного объекта, выраженной в герцах.
s
где r-радиус больших секторов катода 11 и анода 13; V - замедленная резонаторами 1 и 2 скорость электромагнитной волны [См. патент RU №2207511]. Эта разность частот, пропорциональная измеряемой угловой скорости подвижного объекта, соответствует квазистатической волне в волноводе 13 (например, по патенту №2207511 или патенту №111632).
Напряжения от выходных штырей 19 передаются в электронную схему обработки обработки выходной информации, пересчитываются и преобразуются к форме, удобной для использования, и сигнал об угловой скорости ω, либо об интеграле от этой угловой скорости поступает в систему ориентации и навигации (Патент РФ №11632).
Ниже представлен вывод алгоритма для определения гироскопом интеграла по времени от измеряемой угловой скорости. Частоту Δν представим как производную по времени от фазового угла ψ интерференционной картины
Интегрируя по времени, для нулевых начальных условий получили:
c
Этот угол определяется в электронной схеме обработки выходной информации на основе сигналов выходных штырей 19. Нетрудно видеть, что для точного определения угла ψ на длине волны λ должно размещаться 8-16 выходных штырей 19 с равными расстояниями между ними.
Технико-экономический эффект достигнут тем, что точность кольцевого резонансного гироскопа сверхвысокочастотного диапазона заявленной модели гораздо выше, чем точность по прототипу. Эффект достигнут за счет того, что у двух митронов имеется единая система возбуждения, а вычитание частот производится в одном смесительном волноводе, а не на двух элементах (переменные резисторы-прототип). Также устройство выделения разностной частоты (смесительный волновод) выполнено конструктивно в едином герметичном корпусе с митронами, а выходные штыри митронов являются входными штырями смесительного волновода. Это позволяет уменьшить потери на передачу сигнала и снизить габаритные размеры устройства.
Таким образом, поставленная задача в полезной модели достигнута.