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 №3 86/220, МПК G01p 15/08, 1975 г., автор Felsenthal, Jr.). Прибор содержит волноводный контур, на выходах которого наблюдаются два сигнала СВЧ, которым соответствуют две частоты электромагнитных колебаний микроволновых волн. В этом патенте отмечается, что прибор сходен с лазерным гироскопом, но в нем несущая частота относится к микроволновому диапазону. 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 кольцевой резонансный гироскоп сверхвысокочастотного диапазона (RU №2207511, МПК G01C 19/64, 2003, автор. Плотников П.К.) - прототип. В его состав входит чувствительный элемент в виде митрона, содержащего герметичную замкнутую полость с резонатором, анодом и катодами, расположенные внутри митрона источник постоянного магнитного поля, устройство для съема выходной информации, источники питающих напряжений, в состав прибора входит еще один митрон, а также кронштейн, регулируемые опоры для крепления чувствительных элементов к кронштейну и два прецизионных переменных резистора, причем один из митронов укреплен на кронштейне так, что ось холодного катода и анодной системы, являющаяся измерительной, параллельна вектору магнитной индукции источника магнитного поля, совпадает с направлением инжекции электронной пушки, перпендикулярна плоскости размещения кольцевой анодной системы, входящей в состав резонатора, а второй митрон укреплен на кронштейне в перевернутом на 180 угловых градусов положении по отношению к первому митрону, причем прецизионный переменный резистор включен между плюсовым зажимом источника анодного напряжения и анодом каждого митрона. Данное техническое решение принято за прототип.
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. Это приводит к появлению дополнительных погрешностей при неидентичности сопротивлений резисторов. Погрешность увеличивается для высоких несущих частот митронов, при которых возрастает влияние распределенных паразитных индуктивностей и емкостей переменных резисторов. Задачей данной полезной модели является создание такого кольцевого резонансного гироскопа сверхвысокочастотного диапазона, в котором устройство сравнения, т.е. устройство вычитания выходных сигналов митронов, не связано с применением резисторов, которое производится на едином элементе, а поэтому в гораздо меньшей степени зависит от неидентичности параметров устройства сравнения и позволяет повысить точность выходной информации, в том числе при повышенных несущих частотах митронов.
Технический результат изобретения состоит в обеспечении условий повышения точности измерения прибором абсолютной угловой скорости подвижного объекта, в том числе при повышенных несущих частотах митронов.
Поставленная задача решается тем, что в кольцевом резонансном гироскопе сверхвысокочастотного диапазона, в состав которого входят два идентичных митрона, содержащих каждый герметичную вакуумированную полость с катодом и резонаторным анодом, источником постоянного магнитного поля, установленных на корпусе подвижного объекта таким образом, что их измерительные оси направлены встречно-параллельно и ориентированы вдоль образующих подогревных катодов и штырей резонаторных анодов каждого митрона, кроме того, имеется утройство выделения разностной частоты двух митронов. Новым является то, что устройство выделения разностной частоты выполнено в виде смесительного волновода, а также введена схема обработки выходной информации, при этом смесительный волновод является кольцевым герметичным резонансным волноводом с двумя входными штырями, соединенными коаксиальными кабелями с выходами двух митронов так, что указанные штыри расположены в плоскости кольца смесительного волновода и направлены от его центра по радиальным направлениям, они размещены в направленных ответвителях, образованных радиальной разделительной стенкой между штырями и кольцевой, перпендикулярной плоскости кольца перегородкой, отделяющей направленные ответвители от основного объема резонаторного смесительного волновода на длину, соответствующую ±(30-60) угловых градусов от разделительной стенки, при этом перегородка равноудалена от внутренней и наружной внутриволноводных стенок смесительного волновода, оси штырей расположены на расстоянии четверти длины волны несущего излучения от разделительной стенки, кроме того, по периметру наружной окружности кольцевого смесительного волновода расположены с одинаковым шагом несколько штырей съема выходной информации, конструктивно одинаковых со штырями входных сигналов, причем выходные штыри через коаксиальные кабели соединены с соответствующими входами схемы обработки выходной информации.
На фиг.1 представлена функциональная электрическая схема соединения элементов и конструктивная схема смесительного волновода прибора. На фиг.2 представлена схема крепления митронов и смесительного волновода на корпус подвижного объекта.
В состав кольцевого резонансного гироскопа сверхвысокочастотного диапазона (фиг.1, 2) входят: 1 и 2 - митроны; 3 - блок источников питающих напряжений; 4 - смесительный волновод; 5 и 6 - выходные электроды митронов 1 и 2 (либо петли, либо коаксиально-полосковые переходы); 7, 8 - коаксиальные кабели; 9 и 10 - входные штыри смесительного волновода 4; 11 - стенка, 12 и 13 - перегородки первого и второго ответвителей; 14 - выходной электрод, например штырь. 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 укладывается 8 штырей, могут применяться штыри и для отвода лишней энергии; 15, 16 - зубцы и впадины замедляющей системы; 17 - электронная схема обработки выходной информации. Накальный катод 18 - это спиральный эмитирующий катод, например пленочный. Управляющий конический электрод 19 представляет собой управляющий анод; вместе с накальным катодом они образуют электронную пушку. Холодный катод 20 имеет цилиндрическую форму и выполнен из сплава с высокой теплопроводностью и низким коэффициентом вторичной эмиссии. Элементы 21 составляют резонаторную анодную систему митрона. Для вывода информации митронов 1 и 2 служат электроды 5 и 6. Корпус митрона 1 (2) с помощью фланца 22 и прецизионных регулируемых опор 23 винтами крепится к кронштейну 24, который в свою очередь крепится к корпусу подвижного объекта (крепления не показаны). С помощью прецизионных опор, которых у каждого митрона по три штуки, производится регулировка параллельности их измерительных осей. Для подвода питающих напряжений предназначена клемная колодка 25 типовой конструкции. Клеммная колодка 26 предназначена для вывода информации и соединения с помощью коаксиальных кабелей с электронной схемой обработки выходной информации 17.
1
1
Холодный катод 20 и анодная система образуют анодный резонатор 21, который предназначен для замедления фазовой скорости распространения бегущей волны. Первый и второй митроны имеют встречно-параллельное расположение измерительных осей, направлений векторов магнитной индукции и инжекции электронных потоков в электронных пушках. Этим самым обеспечивается возможность вращения электронных спиц в рабочем режиме в противоположных направлениях. В каждом митроне в герметичном вакуумированном корпусе установлен источник постоянного магнитного поля, содержащий полюсные наконечники и магнитопровод, создающие магнитное поле, вектор магнитной индукции которого коллинеарен измерительной оси прибора ξ-ξ; эта ось перпендикулярна опорной плоскости, моделируемой тремя опорными поверхностями трех опор.
a
a1
H
c
На электрической схеме фиг.1 показаны: U - анодное напряжение, минусом подводимое к металлическому корпусу митрона 1 (2), и плюсом - к резонатору анодной системы. U - это напряжение питания управляющего анода 19; U - напряжение питания накального катода 18. Источники питания являются высокостабильными. Рассматривается обоснование конструктивного выполнения смесительного волновода. Вначале обосновывается выбор параметров гладкостенного вакуумированного смесительного металлического волновода 4. Для него условие резонанса определяется соотношением, при котором на периметре смесительного волновода укладывается целое число волн электромагнитных колебаний. Для случая одинаковых выходных сигналов митронов, т.е. с одинаковой частотой ν, соответствующей отсутствию вращения митронов, длина волны λ в смесительном волноводе будет равна
Условие резонанса имеет вид (не учитывается из-за малого влияния удлинение волны в замкнутом пространстве по сравнению со свободным [См. Власов В.Ф. Курс радиотехники. Госэнергоиздат. 1960, с.224-273]):
где k - целое число; R - наружный радиус перегородки 12. Конструктивное выполнение смесительного волновода может базироваться на применении во внутреннем его пространстве диэлектрика или иного материала с определенными электрической и магнитной проницаемостями. В этом случае будет наблюдаться замедление фазовой скорости распространения электромагнитных волн, эффект от которого описан выше для митрона. При невозможности получения нужных размеров и параметров смесительного волновода за счет диэлектрика может быть применена замедляющая система на основе гребенчатой конструкции. Она на фиг.2 представлена в виде металлических выступов 15 и впадин 16.
Пример. Для частоты ν=0,0785 ГГц при длине волны, равной в силу формулы (1) величине 26,16 см, радиус R=12,5 см при k=3, что следует из формулы (2). Размер недопустимо большой, для его снижения применена гребенчатая замедляющая система с выступами 15 и впадинами 16. Выбрав число выступов m=30, по формуле
где ε - электрическая проницаемость диэлектрика, определяем (ε=1): коэффициент замедления K=6.28; длина волны равна 4.165 см. По формуле (2) находим потребный радиус R=2 см, что вполне приемлемо по габаритам.
i
i
i
i
i
i
Рассмотрим работу прибора. После подключения от блока 3 питающих напряжений вначале к накальным катодам 18 и управляющим анодам 19, а затем к холодным катодам 20 и анодному резонатору 21 возникают колебания электромагнитного поля в митронах 1 и 2. Прибор при этом должен быть установлен измерительной осью по соответствующей оси вращения подвижного объекта, с которым связаны системы координат ∩ξηζ (i=1,2), причем оси ∩ξ (i=1,2) являются измерительными. Электронные пушки 18, 19 начинают инжектировать электронные потоки в пространства взаимодействий, находящиеся между катодами 20 и анодными резонаторами 21. Электроны попадают в скрещенные магнитные и электрические поля и под действием радиальных электростатических сил и тангенциальных сил Лоренца при влиянии резонаторов группируются в сгустки, образующие бегущие волны. В митронах и смесительном волноводе выполнены условия распространения когерентных электромагнитных волн. При отсутствии угловой скорости w поворота подвижного объекта имеют место колебания ρ-ой пространственной гармоники n-вида π-типа (т.е фазы соседних резонаторов сдвинуты на π рад для обеспечения резонанса) [Лебедев И.В. Техника и приборы сверхвысоких частот, т.2. М.:ВШ. 1972. с.270-271] с частотой:
где λ - рабочая длина волны в свободном пространстве; c - скорость света.
В соответствии с фиг.1, 2 частота колебаний в митроне 1 при вращении подвижного объекта уменьшится, а в митроне 2 увеличится на величину
c
c
где r - радиус резонаторного анода 21. Попадая от электродов 5 и 6 митронов по коаксиальным кабелям 7 и 8 на электроды 9 и 10 смесительного волновода 4, электрические напряжения вызывают возникновение вокруг штырей 9 и 10 электромагнитных волн. Расстояния от каждого из штырей 9 и 10 до стенки 11 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 11, перегородками 12 и 13 и крышками смесительного волновода 4, электромагнитные волны занимают все внутреннее пространство. Для этого перегородки 12 и 13 должны быть удалены на равные расстояния от стенок смесительного волновода 4. Подвод питающих напряжений от блока 3 производится через клеммную колодку 25, а съем информации митронов 1 и 2 - через клеммную колодку 26. Неизменность ориентации митронов 1 и 2 по отношению к подвижному объекту при его поизвольных движениях обеспечивается элементами крепления 22, 23, 24.
1
2
В процессе работы кольцевого резонансного гироскопа сверхвысокочастотного диапазона, при наличии абсолютной угловой скорости подвижного объекта, на выходах митронов 1 и 2 появляются напряжения с частотами ν и ν, вызванными комбинациями частот ν и Δν, определяемых по формулам (3) и (4). Благодаря им возбуждаютя два встречных потока когерентных электромагнитных волн. При их интерференции образуется квазистоячая волна, частота которой пропорциональна угловой скорости ω подвижного объекта, выраженной в герцах. Напряжения от выходных штырей 14 передаются в электронную схему обработки обработки выходной информации 17, пересчитываются и преобразуются к форме, удобной для использования, и сигнал об угловой скорости ω поступает в систему ориентации и навигации.
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 17 на основе сигналов выходных штырей 14. Нетрудно видеть, что для точного определения угла ψ на длине волны λ должно размещаться 8-16 выходных штырей 14 с равными расстояниями между ними.
В заявке дано физическое и формульное обоснование работоспособности предложенного устройства, описаны его устройство и работа. Из этих материалов следует, что вычитание частот митронов производится на одном (смесительный волновод), а не на двух элементах (переменные резисторы - прототип). 3начит, при прочих равных условиях, предложенное устройство будет обладать более высокой точностью. Кроме того, оно определяет интеграл от измеряемой угловой скорости, что расширяет функциональные возможности устройства по сравнению с прототипом. Поставленная задача выполнена.