PL62632B1 - - Google Patents

Description

Pierwszenstwo: Opublikowano: 13.IV.1968 (P 126 442) 15.VIII.1971 62632 KI. 21 a4, 71 MKP G 01 r, 27/28 CZYTELNIA Twórca wynalazku: Jerzy Kalinski Wlasciciel patentu: Polska Akademia Nauk (Zaklad Doswiadczalny Bu¬ dowy Aparatury Naukowej UNIPAN), Warszawa (Polska) Sposób automatycznej kompensacji niepozadanych zmian poziomu sygnalu w ukladach mikrofalowych oraz urzadzenie do stosowania tego sposobu Przedmiotem wynalazku jest sposób automatycz¬ nej kompensacji niepozadanych zmian poziomu sygnalu w ukladach mikrofalowych zawierajacych generator fali ciaglej i detektor sygnalu mikrofalo¬ wego, oraz urzadzenie do stosowania tego sposobu.W sklad róznego typu urzadzen i ukladów po¬ miarowych opartych na wykorzystaniu mikrofal i dzialajacych na zasadzie pomiaru tlumienia lub przesuniecia fazy sygnalów o czestotliwosciach mi¬ krofalowych wchodza, jako podstawowe elementy skladowe, generator mikrofalowy oraz detektor sygnalu mikrofalowego. Generator mikrofalowy sta¬ nowi zródlo sygnalów zasilajacych uklady lub ele¬ menty przeznaczone do pracy w pasmie mikrofalo¬ wym badz badane za pomoca mikrofal. Detektor przeznaczony jest do prostowania sygnalu mikrofa¬ lowego lub demodulacji jego obwiedni na wyjsciu ukladu pomiarowego.Wyprostowanie lub demodulacja sygnalu mikro¬ falowego umozliwiaja pomiar jego wartosci i jej zmian przez pomiar wartosci napiecia badz pradu stalego lub napiecia zmiennego niskiej czestotlis- wosci, o ile generowany sygnal mikrofalowy zostal uprzednio takim przebiegiem zmodulowany. Po¬ miary te dokonywane sa za pomoca konwencjonal¬ nych metod i przyrzadów, badz przy uzyciu mierni¬ ków pradu lub napiecia stalego, badz przy pomocy mierników napiecia zmiennego o czulosciach do¬ stosowanych do poziomu mierzonego sygnalu wyj¬ sciowego. 15 25 Podstawowym zagadnieniem przy tego typu po¬ miarach jest utrzymanie stalosci poziomu sygnalu w ukladzie generator mikrofalowy — detektor syg¬ nalu mikrofalowego w funkcji czasu, temperatury i zmian napiec zasilajacych. Czynnikami, które od- dzialywuja w sposób pierwszorzedny na poziom sygnalu w kazdym ukladzie mikrofalowym zawie¬ rajacym wymienione wyzej elementy sa zmiany poziomu mocy i zmiany czestotliwosci generatora mikrofalowego oraz zmiany impedancji oraz czu¬ losci detektora wystepujace w funkcji zmian wyzej wymienionych trzech parametrów. Kazda zmiana parametrów technicznych dowolnego z obu pod¬ stawowych elementów skladowych ukladu mikro¬ falowego powoduje bezposrednio pogorszenie sta¬ bilnosci dlugoczasowej, a wiec zmniejszenie doklad¬ nosci i brak porównywalnosci wyników uzyskiwa- . nych przy pomocy danego ukladu lub urzadzenia pomiarowego.Dotychczasowe metody stabilizacji poziomu syg¬ nalu w ukladzie generator mikrofalowy — detek¬ tor polegaja na niezaleznej stabilizacji lub kom¬ pensacji zmian parametrów kazdego z elementów skladowych ukladu badz na unikaniu przyczyn mo¬ gacych te zmiany powodowac.Stabilizacja poziomu mocy generowanego sygnalu mikrofalowego rozwiazywana jest w oparciu o za¬ sade ujemnego sprzezenia zwrotnego. Dzialanie ta¬ kiego ukladu polega na wlaczeniu, miedzy gene¬ rator a obciazenie, regulowanego tlumika mikrofa- 62 63262 632 lowego ustalajacego zalozony poziom sygnalu na obciazeniu i na uzaleznieniu wartosci wprowadza¬ nego przez ten tlumik tlumienia od wielkosci syg¬ nalu na obciazeniu. Kazda zmiana poziomu mocy generatora prowadzaca do zmiany wielkosci sygna¬ lu mikrofalowego na obciazeniu powoduje zmiane tlumienia wprowadzanego przez tlumik, przeciw¬ dzialajaca zmianie sygnalu, w wyniku czego syg¬ nal imikrofalowy na obciazeniu utrzymywany jest na stalym poziomie.Wada tego rodzaju rozwiazan jest zaleznosc wspólczynnika stabilizacji od stalosci charaktery¬ styk diod pólprzewodnikowych stosowanych do de¬ tekcji sygnalu mikrofalowego przed wprowadze¬ niem go do obwodów wejsciowych ukladu regulacji tlumienia. Parametry charakterystyczne diod pól¬ przewodnikowych, a w szczególnosci ich czulosc i impedancja ulegaja znacznym zmianom w funkcji temperatury oraz czasu. Wplyw temperatury na wlasnosci diody pólprzewodnikowej, zgodnie z roz¬ wazaniami teoretycznymi, objawiac sie winien spadkiem wartosci jej impedancji i wzrostem czu¬ losci pradowej ze wzrostem temperatury.W praktyce wlasnosci diody pólprzewodnikowej zaleza od warunków otoczenia w sposób nieprze¬ widziany, zachodzace procesy maja charakter pro¬ cesów bladzacych, niekiedy zwiazanych ze zjawi¬ skiem histerezy, przy czym anomalie te wystepuja przewaznie w temperaturach nizszych od 21°C. W temperaturach wyzszych diody pólprzewodnikowe zachowuja sie w wiekszosci przypadków zgodnie z rozwazaniami teoretycznymi. Kompensacja zmian parametrów charakterystycznych diody pólprze¬ wodnikowej w funkcji temperatury jest wiec bar¬ dzo utrudniona, zas w funkcji starzenia, wplywów mechanicznych i innych wplywów drugorzednych praktycznie niewykonalna.Z powyzszych wzgledów uklady mikrofalowe za¬ wierajace w torze mierzonego sygnalu detektor lub detektory diodowe stosowane sa w wychylowych metodach pomiarowych wylacznie przy pomiarach wzglednych dokonywanych w krótkich odcinkach czasu. Dotyczy to zarówno pomiarowych urzadzen mikrofalowych w ukladach prostych, w których badany element wlaczony jest szeregowo miedzy generator mikrofalowy a detektor, jak i w ukla¬ dach mostkowych, w których znajduje sie on w jednej z galezi mostka, zas w drugiej umieszczone sa elementy amplitudowego i fazowego równowa¬ zenia mostka.Celem wynalazku jest zwiekszenie dokladnosci, stabilnosci i porównywalnosci wyników pomiarów wzglednych oraz umozliwienie zastosowania ukla¬ dów mikrofalowych zawierajacych generator i de¬ tektor sygnalu mikrofalowego przy pomiarach me¬ todami wychylowymi wielkosci bezwzglednych w ciagu dlugich okresów czasu.Wytyczony cel osiagniety zostal w sposobie wed¬ lug niniejszego wynalazku tak, ze czesc mikrofalo¬ wego sygnalu fali ciaglej kieruje sie do toru regu¬ lacyjnego, gdzie fale ciagla moduluje sie sygnalem o czestotliwosci róznej od czestotliwosci sygnalu modulujacego w torze pomiarowym, po czym tak zmodulowany sygnal sumuje sie z sygnalem toru pomiarowego i poddaje demodulacji a nastepnie ze zdemodulowanego sygnalu wydziela sie sygnal o czestotliwosci modulacji w torze regulacyjnym i sygnal ten, po wyprostowaniu, doprowadza sie do 5 ukladu regulujacego glebokosc modulacji w torze pomiarowym. Zmiany poziomu tego sygnalu powo¬ dowane zmianami poziomu mocy generatora mi¬ krofalowego wzglednie czulosci lub impedancji de¬ tektora sygnalu mikrofalowego niezaleznie od zró- 10 del ich pochodzenia, sa wiec w liniowym zakresie dzialania toru regulacyjnego kompensowane zmia¬ nami glebokosci modulacji sygnalu mikrofalowego w torze pomiarowym.Korzyscia techniczna wynikajaca ze stosowania wynalazku jest zwiekszenie dokladnosci, stabilnos¬ ci i porównywalnosci wyników pomiarów wzgled¬ nych dokonywanych metoda wyehylowa przy po¬ mocy ukladów mikrofalowych tak prostych jak i mostkowych ofaz stworzenie mozliwosci stosowa¬ nia metod i ukladów mikrofalowych przy pomia¬ rach bezwzglednych dokonywanych w ciagu dlu¬ gich okresów czasu.Do stosowania sposobu sluzy urzadzenie bedace 25 równiez przedmiotem niniejszego wynalazku. Isto¬ ta urzadzenia jest to, ze ma ono dodatkowy, regu¬ lacyjny tor mikrofalowy bocznikujacy pomiarowy tor mikrofalowy przy czym w mikrofalowej czesci toru regulacyjnego jest mikrofalowy modulator i 30 zródlo sygnalu modulujacego malej czestotliwosci natomiast w czesci malej czestotliwosci tor regula¬ cyjny ma selektywny wzmacniacz, którego wejscie polaczone jest pqprzez wzmacniacz pasmowy z de¬ tektorem sygnalu .mikrofalowego, natomiast wyjscie 35 polaczone jest, poprzez prostownik, z ukladem re¬ gulujacym glebokosc modulacji sygnalu mikrofalo¬ wego w torze pomiarowym.Wynalazek zostanie blizej objasniony na przy¬ kladzie wykonania przedstawionym na rysunku, na 40 którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy mi¬ krofalowego ukladu pomiarowego z automatyczna stabilizacja poziomu sygnalu ukladu generator — detektor, fig. 2 przedstawia charakterystyke zalez¬ nosci amplitudy sygnalu mierzonego o czestotli- 45 wosci Fi od amplitudy sygnalu regulacyjnego o czestotliwosci F2, fig. 3 — charakterystyke zalez¬ nosci sygnalów mierzonego i regulacyjnego od zmian mocy generatora oraz czulosci lub impe¬ dancji detektora mikrofalowego, fig. 4 — charak- 50 terystyke zaleznosci sygnalu mierzonego o czesto¬ tliwosci Fi od zmian mocy generatora wzglednie czulosci lub imipedancji detektora mikrofalowego w ukladzie z automatyczna regulacja poziomu oraz fig. 5 — wykres wektorowy sygnalów doprowadzo¬ nych do detektora mikrofalowego.Generator mikrofalowy 1 zasila przez rozgale¬ zienie 2 sygnalem .mikrofalowym fali ciaglej tor pomiarowy i tor regulacyjny ukladu. Sygnal mikro¬ falowy w torze pomiarowym modulowany jest syg¬ nalem o czestotliwosci Fi, generowanym przez 'ge¬ nerator 5 i doprowadzonym do modulatora 3 przez uklad 4 regulujacy glebokosc modulacji. Amplitu¬ da sygnalu o czestotliwosci Fi moze byc w tym 65 ukladzie regulowana w sposób ciagly przy pomocy 555 sygnalu pradu stalego doprowadzanego do ukladu 4 z zewnetrznego zródla. Sygnal mikrofalowy modu¬ lowany sygnalem o czestotliwosci Fi doprowadzany jest do mikrofalowego ukladu pomiarowego 6 za¬ wierajacego element badany metoda transmisyjna lub odbiciowa w ukladzie prostym lulb mostko¬ wym. Sygnal wyjsciowy pomiarowego ukladu mi¬ krofalowego 6 doprowadzony jest poprzez rozgale¬ zienie 10 do detektora 11 sygnalu mikrofalowego.[Przez druga galaz tegoz rozgalezienia 10 dopro¬ wadzany jest do detektora 11 sygnal mikrofalowy z toru regulacyjnego. Sygnal ten modulowany jest w ukladzie modulatora 7 sygnalem o czestotliwosci F2 róznej od Fi. Zródlem sygnalu o czestotliwosci F2 jest osobny generator 8 lub na przyklad uzwo¬ jenie transformatora sieci zasilajacej z ograniczni¬ kiem amplitudy. W ukladzie takim na wyjsciu de¬ tektora 11 sygnalu (mikrofalowego uzyskuje sie syg¬ naly o czestotliwosci Fi i F2, które wzmocnione przez wzmacniacz pasmowy 12 rozdzielane sa przy pomocy selektywnych wzmacniaczy 13 i 15 dostro¬ jonych odpowiednio do czestotliwosci Fi i F2.Sygnal o czestotliwosci Fi uzyskany ma wyjsciu selektywnego wzmacniacza 13 i wykazany przez wskaznik 14 jest sygnalem zawierajacym infor¬ macje o wartosciach zmian tlumienia wnoszonych przez element badany. W obu rodzajach ukladów, prostym i mostkowym, informacje te uzyskuje sie w przypadku zgodnosci faz sygnalów mikrofalo¬ wych w oibu torach, pomiarowym i regulacyjnym..Sygnal o czestotliwosci F2 uzyskany na wyjsciu selektywnego wzmacniacza 15 jest natomiast sygna¬ lem zawierajacym informacje o poziomie sygnalu mikrofalowego w ukladzie generator-detektor, czyli o stalosci mocy generatora i impedancji oraz czu¬ losci detektora. Kazda zmiana, któregos z tych pa¬ rametrów powodowana zmianami napiec zasilania, zmianami temperatury, bedaca wynikiem wplywów mechanicznych, starzenia i ogólnie biorac dowol¬ nych czynników objawia sie w takim ukladzie zmiana amplitudy sygnalu regulacyjnego o czesto¬ tliwosci F2 na wyjsciu selektywnego wzmacniacza 15. Sygnal wyjsciowy tego wzmacniacza wyprosto¬ wany w prostowniku 16 i doprowadzony do ukladu 4 regulujacego glebokosc modulacji automatycznie kompensuje, przy odpowiednim doborze nachylen liniowych odcinków charakterystyk Uf! = f(Uf2) oraz Uf2 = ffl?), gdzie P — moc generatora, zmia¬ ny poziomu sygnalu mikrofalowego ukladu genera¬ tor-detektor zmianami amplitudy sygnalu modulu¬ jacego sygnal mikrofalowy w torze pomiarowym.Uproszczone charakterystyki zaleznosci amplitudy sygnalu o czestotliwosci Fi od amplitudy sygnalu o czestotliwosci F2 oraz amplitudy sygnalu o czesto¬ tliwosci F2 od zmian mocy generatora wzglednie impedancji lulb czulosci detektora podane sa na fig. 2 i fig. 3 rysunku. Zaleznosc sygnalu o czestotli¬ wosci Fi wykazywanego przez wskaznik 14 od zmian mocy generatora oraz czulosci lub imipe- dancji detektora w liniowymi zakresie powyzszych charakterystyk jest w ukladzie takim wielokrotnie zmniejszona.Uproszczona charakterystyka zaleznosci sygnalu o czesitotliiwósci Fi od zmian mocy generatora oraz 1632 6 parametrów detektora ukladu mikrofalowego z automatyczna regulacja poziomu sygnalu podana jest na rysunku fig. 4. Sygnal wyjsciowy ukladu mikrofalowego doprowadzony do detektora 11 syg- 5 nalu mikrofalowego stanowi w opisanym wyzej ukladzie sume sygnalów wyjsciowych toru regula¬ cyjnego o stosunkowo duzej wartosci i toru pomia¬ rowego o wartosci 20^i3O dB mniejszej, której wy¬ kres wektorowy podano na fig. 5 rysunku. Na fig. 5 10 rysunku oznaczono przez: Ei — sygnal fali nosnej w kanale pomiarowym, E2 — sygnal fali nosnej w kanale regulacyjnym, mi — glebokosc modulacji fali nosnej w kanale pomiarowym, m2 — glebokosc modulacji fali nosnej w ukladzie regulacyjnym, 15 Qh Q2 — odpowiednie pulsacje sygnalów moduluja¬ cych, w — pulsacje fali nosnej, a — kat przesunie¬ cia fazowego miedzy sygnalami fali nosnej w obu kanalach, 8 — kat przesuniecia fazowego miedzy sygnalami modulujacymi. 20 Amplituda sygnalu sumy doprowadzanego do de¬ tektora 11 okreslona jest zaleznoscia E = ]/ A2 + B2 — 2AB cos£ [1] gdzie: 25 A = E?[l + m, cos (^t + B)]2 [2] B = E^l + m2 cosft2t]2 [3] P=180--« [4] Skladowa stala oraz skladowe pierwszej i drugiej harmonicznej sygnalu E wyznaczone za pomoca analizy matematycznej wyrazenia (1) zaleza od wartosci kata a. Zgodnie z zalozeniami wynalaz- 35 ku kat a dobrany jest do wartosci równej 0° za pomoca przesuwnika fazowego 9 w torze pomia¬ rowym. Jezeli kat a = 0°, to kat |3 = 180° i odpo¬ wiednie wyrazenia na skladowa stala i skladowe zmienne sygnalu E przyjmuja postacie: 40 Est = Ei +E2 [5] EGi =Ejmi [6] Eq2 =E2m2 [7] 45 £.,^ =0 [8] E2o3 =0 [9] Zaleznosc (6) wskazuje, ze przy stalej wartosci gle¬ bokosci modulacji mi, sygnal wyjsciowy detektora 50 o pulsacji Qi pochodzacy z kanalu pomiarowego uzalezniony jest liniowo od poziomu sygnalu mi¬ krofalowego w tym kanale, a wiec od tlumienia wprowadzanego przez element badany oraz od po¬ ziomu mocy generatora mikrofalowego. Sygnal 55 wyjsciowy detektora o pulsacji &2 pochodzacy z kanalu regulacyjnego uzalezniony jest przy tych samych zalozeniach od poziomu mocy generatora mikrofalowego; nie zalezy natomiast od tlumie¬ nia elementu badanego. Obydwa sygnaly uzalez- 60 nione sa w tym samym stopniu od czulosci i impe¬ dancji detektora mikrofalowego.Z powyzszego wynika bezposrednio mozliwosc zastosowania sygnalu wyjsciowego detektora o pulsacji Q2 do automatycznej regulacji jednego 65 z parametrów toru pomiarowego celem uzyskania7 kompensacji zmian mocy generatora lub zmian czulosci oraz impedancji detektora mikrofalowego.Istotna dla wyniku pomiaru zaleznosc (6) wska¬ zuje na mozliwosc kompensacji zmiany poziomu fali nosnej w ukladzie mikrofalowym, niezaleznie od powodujacych ja przyczyn, zmiana glebokosci modulacji tej fali sygnalem o pulsacji Qx.Rozwiazanie ukladu automatycznej regulacji poziomu sygnalu oparte jest na tej zasadzie, przy czym zastosowany uklad odróznia zmiany poziomu sygnalu powodowane zmianami mocy generatora mikrofalowego lub równowaznymi im ze wzgledu na skutek zmianami impedancji wzglednie czu¬ losci detektora od zmian poziomu sygnalu powo¬ dowanych zmianami tlumienia elementu badanego.Glebokosc modulacji sygnalu mikrofalowego w torze pomiarowym regulowana jest automatycznie przez uklad jedynie w tym pierwszym przypadku.Przy odpowiednim stosunku amplitud sygnalów mikrofalowych w torze regulacyjnym i pomiaro¬ wym zmiany mierzonego tlumienia w szerokich granicach nie wywieraja wplywu na wartosc sygnalu regulujacego glebokosc modulacji. Rów¬ niez zmiany w okreslonych granicach kata prze¬ suniecia fazowego a miedzy sygnalami mikrofa¬ lowymi w obu kanalach, nie wywieraja wplywu na sygnal regulacyjny. Zaleznosc sygnalu mie¬ rzonego od tegoz kata przesuniecia fazowego wy¬ maga jednak stosowania ukladów stabilizacji cze¬ stotliwosci generatora mikrofalowego, lub nawet, jesli element badany wnosi dodatkowe przesunie¬ cie fazowe o wartosci zmiennej w czasie pomia¬ rów, ukladów automatycznego wyrównywania kata przesuniecia fazowego obu sygnalów mikro¬ falowych wzgledem siebie.Opisany sposób i urzadzenie do automatycznej kompensacji niepozadanych zmian poziomu sygnalu w ukladach mikrofalowych zawierajacych gene¬ rator fali ciaglej i detektor sygnalu mikrofalo¬ wego moze byc stosowany w urzadzeniach lub ukladach pomiarowych opartych na zastosowaniu mikrofal do badania elementów, podzespolów oraz zespolów skladowych ukladów mikrofalowych, poszczególnych przyrzadów mikrofalowych lub wlasciwosci cial stalych, cieklych lub gazowych w polu mikrofalowym.Wynikiem zastosowania sposobu i urzadzenia stanowiacego przedmiot wynalazku jest wielo¬ krotne zmniejszenie zaleznosci wyników pomia¬ rów od zmian mocy generatora oraz czulosci :632 8 i impedancji detektora sygnalu mikrofalowego, a wiec znaczne poprawienie stabilnosci, doklad¬ nosci i porównywalnosci wyników uzyskiwanych przy pomiarach metoda wychylowa wielkosci 5 wzglednych w krótkich odcinkach czasu oraz umozliwienie zastosowania urzadzen mikrofalo¬ wych ze stabilizacja czestotliwosci generatora lub z ukladem automatycznego wyrównywania fazy sygnalów mikrofalowych przy pomiarach metoda io wychylowa wielkosci bezwzglednych w ciagu dlu¬ gich okresów czasu. PL PL

Claims (2)

1. Zastrzezenia patentowe 15 1. Sposób automatycznej kompensacji niepoza¬ danych zmian poziomu sygnalu w ukladach mikro¬ falowych zawierajacych generator fali ciaglej mo¬ dulowanej w torze pomiarowym i detektor sygnalu mikrofalowego znamienny tym, ze czesc mikrofa- 20 lowego sygnalu fali ciaglej kieruje sie do toru regulacyjnego gdzie fale ciagla moduluje sie sygna¬ lem o czestotliwosci róznej' od czestotliwosci sygnalu modulujacego w torze pomiarowym, po czym tak zmodulowany sygnal sumuje sie z 25 sygnalem toru pomiarowego i poddaje demodula- cji, nastepnie ze zdemodulowanych sygnalów wy¬ dziela sie sygnal o czestotliwosci modulacji w to¬ rze regulacyjnym, który to sygnal, po wyprosto¬ waniu, doprowadza sie do ukladu regulujacego 30 glebokosc modulacji w torze pomiarowym, przez . co zmiany wielkosci tego sygnalu wywoluja odpo¬ wiednie zmiany w glebokosci modulacji fali cia¬ glej w torze pomiarowym.

2. Urzadzenie do stosowania sposobu wedlug 35 zastrz. 1 zawierajace generator fali ciaglej, tor pomiarowy z modulatorem mikrofalowego sygnalu pomiarowego oraz detektor sygnalu mikrofalowe¬ go znamienne tym, ze ma dodatkowy, regulacyjny tor mikrofalowy bocznikujacy pomiarowy tor 40 mikrofalowy, w którym to torze regulacyjnym w czesci mikrofalowej ma mikrofalowy modulator (7) i zródlo (8) sygnalu modulujacego malej cze¬ stotliwosci, a w czesci malej czestotliwosci ma selektywny wzmacniacz (15) polaczony, poprzez 45 wzmacniacz pasmowy (12) toru pomiarowego, z detektorem (11) sygnalu mikrofalowego, nato¬ miast wyjscie selektywnego wzmacniacza (15) po¬ laczone jest, poprzez prostownik (16) z ukladem (4) regulujacym glebokosc modulacji sygnalu mi- 50 krofalowego w torze pomiarowym.KI. 21 a4, 71 62 632 MKP G 01 r, 27/28 J L — 2 8 i 7 [ O 3 W 4 U 9 /O , i // — /2 tf „ /5 l Fig.1 H) w U* + 0 LdBJ AUF2 + [Vj Fig. 2 UF2\[dB] + \ Fig. 3 tAP fyf+wcosfyt) Fig.5 Etffw/cosprftcf)] UfnLddl 7 Z *4P f/9.4 PL PL