УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЗОНАНСНЫХ СТРУКТУР

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.
р
р
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, амплитуду U 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.
11
12
С
11
12
Р1
11
12
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 f и f. Для его формирования в перестраиваемом по частоте генераторе генерируют среднюю частоту равную f=(f+f)/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 Δf=f-f, как правило, меньшую или равную ширине полосы пропускания резонансной структуры, при этом сама средняя частота подавляется.
С
Р
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 f и резонансной частоты f 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.
С
Р1
Далее перестраивают среднюю частоту f зондирующего двухчастотного колебания с заданным шагом в диапазоне измерений, соответствующем полосе частот резонансной структуры с сохранением постоянной в ходе перестройки разностной частоты Δf.
С
11
12
Р
С
1
В ходе перестройки в контроллере управления и измерения характеристик резонансных структур регистрируют изменение средней частоты зондирующего колебания f=(f-f)/2 и измеряют коэффициент модуляции m его огибающей на выходе детектора, по достижении которым значения m=1 определяют резонансную частоту f резонансной структуры, как равную значению средней частоты f в данный момент времени и измеряют соответствующую ему амплитуду огибающей зондирующего колебания U на выходе резонансной структуры.
С
Р1
21
11
22
12
Р2
Р1
2
В данный момент останавливают изменение средней частоты f зондирующего колебания, и на преобразователь одночастотного колебания в двухчастотное подают команду для изменения начальной разностной частоты Δf на определенную величину 2Δf, так что значения частот составляющих зондирующего колебания становятся равны соответственно f=f-Δf и f=f+Δf, а второе значение разностной частоты Δf=Δf+2Δf не превышает полосы пропускания резонансной структуры. Далее фиксируют амплитуду огибающей сигнала биений компонент зондирующего колебания U на выходе детектора.
Р
Далее вычисляют резонансную амплитуду U резонансной структуры по выражению:
,
2
Р2
1
Р1
где χ=UΔf/UΔf и добротность Q резонансной структуры по выражению:
где i=1, 2.
Таким образом, измеряя на выходе детектора:
Р
- коэффициент модуляции m огибающей сигнала биений компонент зондирующего колебания, отраженного от или прошедшего через резонансную структуру, определяют резонансную частоту f при равенстве m=1;
1
2
Р
Р1
Р2
С
Р
- амплитуды U и U огибающей сигнала биений компонент зондирующего колебания, отраженного от или прошедшего через резонансную структуру, определяют резонансную амплитуду U при разных разностных частотах Δf и Δf и настройке на резонансную частоту f=f,
- 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.
С
Р
11
12
21
22
с
12
11
22
21
Р1
12
11
Р2
22
21
р
1
2
На фиг. 2 показано спектральное расположение двух двухчастотных колебаний относительно резонансной структуры в случае совпадения их средней частоты f с резонансной частотой f резонансной структуры, где f и f, f f - частоты составляющих двух двухчастотных зондирующих колебаний на выходе преобразователя одночастотного колебания в многочастотное; f=(f+f)/2=(f+f)/2 - средняя частота двух двухчастотных зондирующих колебаний; Δf=f-f и Δf=f-f - первая и вторая разностные частоты двухчастотных зондирующих колебаний; f - резонансная частота резонансной структуры; U и U - амплитуды составляющих двух двухчастотных зондирующих колебаний, отраженные от или прошедшие через резонансную структуру и выделенные соответственно на первой и второй
р1
Р2
Р
разностных частотах Δf и Δf на выходе перестраиваемых избирательных фильтров и первой и второй разностных частот; U - резонансная амплитуда резонансной структуры.
1
На фиг. 3 показана относительная обобщенная расстройка полосы пропускания резонансной структуры. Отображена зависимость коэффициента модуляции m 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.
С
Р
На фиг. 2 показано спектральное расположение двух двухчастотных колебаний на выходе резонансной структуры 7 в случае совпадения их средней частоты f с резонансной частотой f резонансной структуры 7.
11
21
22
12
С
12
11
22
21
Р
11
12
21
22
Р1
12
11
Р2
22
21
11
12
21
22
11
12
21
22
11
12
21
22
С
Р
1
11
12
2
21
22
Изображенные на фиг. 2 составляющие первого и второго двухчастотных колебаний f, f, f, f и их расположение показаны в случае совпадения их средней частоты f=(f+f)/2=(f+f)/2 с резонансной частотой f резонансной структуры 7. Сигнал, зондирующий резонансную структуру 7, в отличие от существующих аналогов и прототипа представляет собой два двухчастотных колебания соответственно с составляющими f, f и f, f с различными разностными частотами Δf=f-f и Δf=f-f. Исходные амплитуды составляющих U' U' и U', U' на выходе преобразователя 2 одночастотного колебания в многочастотное равны U'=U'=U'=U' или попарно равны U'=U' и U'=U'. В случае совпадения их средней частоты f с резонансной частотой f резонансной структуры амплитуды составляющих первого и второго двухчастотных колебаний, отраженные от или прошедшие через резонансную структуру 7 будут равны попарно U=U=U и U=U=U.
1
На фиг. 3 показана относительная обобщенная расстройка полосы пропускания резонансной структуры. Отображена зависимость коэффициента модуляции m 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.
1
Р1
Р1
С
Р
1
Р1
Изображенная на фиг. 3 зависимость коэффициента модуляции m огибающей биений первого двухчастотного колебания на разностной частоте Δf от относительной обобщенной расстройки полосы пропускания резонансной структуры 7 представлена для случая, когда разностная частота Δf меньше или равна ширине ее полосы пропускания. Характерной точкой данной зависимости является точка нулевой относительной обобщенной расстройки, которая соответствует равенству средней частоты f зондирующего колебания резонансной частоте f резонансной структуры 7. В этом случае коэффициент модуляции т огибающей сигнала биений первого двухчастотного колебания на разностной частоте Δf, зарегистрированный на выходе перестраиваемого избирательного фильтра 9 первой разностной частоты будет равен единице.
2
Р2
2
Р2
Все сказанное выше относится и к зависимости коэффициента модуляции m огибающей биений второго двухчастотного колебания с разностной частотой Δf. В этом случае коэффициент модуляции m огибающей сигнала биений второго двухчастотного колебания с разностной частотой Δf, зарегистрированный на выходе перестраиваемого избирательного фильтра 10 второй разностной частоты будет равен единице.
1
2
Р1
Р2
Р
С
Факт равенства коэффициентов модуляции m и m единице для огибающих сигналов биений первого и второго двухчастотных колебаний с разностными частотами Δf и Δf, зарегистрированных на выходе перестраиваемых избирательных фильтров 9 и 10 первой и второй разностных частот используется для принятия решения об определении резонансной частоты f=f.
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.
11
12
21
22
11
12
21
22
11
12
21
22
С
12
11
22
21
Р1
12
11
Р2
22
21
Р1
Р2
_
В соответствии с поданной командой зондирующий сигнал в преобразователе 2 одночастотного колебания в многочастотное формируют состоящим из двух двухчастотных колебаний соответственно с составляющими f, f и f, f одинаковой амплитуды U'=U'=U'-U' или попарно одинаковой амплитуды U'=U' и U'=U'. Для его формирования в перестраиваемом по частоте генераторе 1 генерируют среднюю частоту равную f=(f+f)/2=(f+f)/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 Δf=f-f и Δf=f f как правило, меньших или одна из которых равна ширине полосы пропускания резонансной структуры 7. При этом сама средняя частота подавляется. На сформированные разностные частоты Δf и Δf производится настройка перестраиваемых избирательных фильтров 9 и 10 первой и второй разностной частот.
С
Р
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 f и резонансной частоты f 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.
Р1
Р2
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 Δf и Δf, которые также соответственно выделяются перестраиваемыми избирательными фильтрами 9 и 10 первой и второй разностных частоты.
Р1
Р2
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 Δf и Δf.
С
1
2
С
Р
1
2
С
Р
С
1
2
В ходе перестройки в контроллере 5 управления и измерения характеристик резонансных структур регистрируют изменение средней частоты fдвухчастотных колебаний и измеряют коэффициенты модуляции m и mогибающих на выходе перестраиваемых избирательных фильтров 9 и 10 первой и второй разностных частот. При достижении равенства средней частоты f резонансной частоте f резонансной структуры 7 (фиг. 2) значения m и m становится равным единице (фиг. 3). Тогда останавливают перестройку средней частоты f и определяют резонансную частоту f резонансной структуры 7, как равную значению средней частоты f в данный момент времени, и измеряют в данный момент времени амплитуду огибающих первой U и второй U 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.
С
Р
На фиг. 2 показано спектральное расположение двух двухчастотных колебаний на выходе резонансной структуры 7 в случае совпадения их средней частоты f с резонансной частотой f резонансной структуры 7.
11
21
22
12
С
12
11
22
21
Р
11
12
21
22
Р1
12
11
Р2
22
21
11
12
21
22
11
12
21
22
11
12
21
22
С
Р
1
11
12
2
21
22
Изображенные на фиг. 2 составляющие первого и второго двухчастотных колебаний f, f, f, f и их расположение показаны в случае совпадения их средней частоты f=(f+f)/2=(f+f)/2 с резонансной частотой f резонансной структуры 7. Зондирующий резонансную структуру 7 сигнал в отличие от существующих аналогов и прототипа представляет собой два двухчастотных колебания соответственно с составляющими f, f и f, f с различными разностными частотами Δf=f-f и Δf=f-f. Исходные амплитуды составляющих U', U' и U', U' на выходе преобразователя 2 одночастотного колебания в многочастотное равны U'=U'=U'=U' или попарно равны U'=U' и U'=U'. В случае совпадения их средней частоты f с резонансной частотой f резонансной структуры амплитуды составляющих первого и второго двухчастотных колебаний, отраженные от или прошедшие через резонансную структуру 7 будут равны попарно U=U=U и U=U=U.
1
На фиг. 3 изображена зависимость коэффициента модуляции m 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.
1
Р1
Р1
С
Р
1
Р1
Изображенная на фиг. 3 зависимость коэффициента модуляции mогибающей биений первого двухчастотного колебания на разностной частоте Δf от относительной обобщенной расстройки полосы пропускания резонансной структуры 7 представлена для случая, когда разностная частота Δf меньше или равна ширине ее полосы пропускания. Характерной точкой данной зависимости является точка нулевой относительной обобщенной расстройки, которая соответствует равенству средней частоты f зондирующего колебания резонансной частоте f резонансной структуры 7. В этом случае коэффициент модуляции m огибающей сигнала биений первого двухчастотного колебания на разностной частоте Δf, зарегистрированный на выходе перестраиваемого избирательного фильтра 9 первой разностной частоты будет равен единице.
2
Р2
2
Р2
Все сказанное выше относится и к зависимости коэффициента m модуляции огибающей биений второго двухчастотного колебания с разностной частотой Δf. В этом случае коэффициент модуляции m огибающей сигнала биений второго двухчастотного колебания с разностной частотой Δf, зарегистрированный на выходе перестраиваемого избирательного фильтра 10 второй разностной частоты будет равен единице.
1
2
Р1
Р2
Р
С
Факт равенства коэффициентов модуляции m и m единице для огибающих сигналов биений первого и второго двухчастотных колебаний с разностными частотами Δf и Δf, зарегистрированный на выходе перестраиваемых избирательных фильтров 9 и 10 первой и второй разностных частот используется для принятия решения об определении резонансной частоты f=f.
р
Далее в соответствии с алгоритмом измерений в контроллере 5 управления и измерения характеристик резонансных структур вычисляют резонансную амплитуду U резонансной структуры 7 по выражению:
,
2
Р2
1
Р1
где χ=UΔf/UΔf и добротность Q резонансной структуры 7 по выражению:
,
р
с
i
р
рi
где i=1 или 2, f-резонансная частота, f - средняя частота, U - амплитуда огибающей зондирующего колебания, U - резонансная амплитуда, Q - добротность, m - коэффициент модуляции, Δf - разностная частота.
Таким образом, измеряя на выходе перестраиваемых избирательных фильтров 9 и 10 первой и второй разностных частот:
1
2
Р
С
1
2
- коэффициенты модуляции m и m огибающих сигналов биений первого и второго двухчастотного колебания, отраженного от или прошедшего через резонансную структуру 7, определяют резонансную частоту f=f при равенстве m=m=1;
1
2
р
Р1
Р2
С
Р
- амплитуды огибающих первого U, и второго U двухчастотного колебания, отраженных от или прошедших через резонансную структуру 7, определяют резонансную амплитуду U при разностных частотах Δf и Δf и настройке на резонансную частоту f=f;
- далее вычисляют по полученным значениям добротность Q резонансной структуры 7.
Р1
Р2
Перестраиваемые избирательные фильтры 9 и 10 первой и второй разностных частот выполнены перестраиваемыми для выполнения условия по соответствию значений разностных частот Δf и Δf, 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.
пп
Р2
пп
Р2
пп
пп
Для прямого детектирования диапазона {0, Δf} в пик-детекторе - это токовые шумы с распределением вида 1/f и другие мощные шумы и флуктуации низкочастотной природы. Для диапазона {Δf-Δf, Δf+Δf} детектора огибающей - это дробовой шум малой интенсивности, где Δf - 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.