Pierwszenstwo: Zgloszenie ogloszono 04.10.1973 Opis patentowy opublikowano: 28. 02. 1975 74156 KI. 21e,29/08 MKP GOlr 29/08 CZYTELNIA Urzedu pW*»v fcttbl Ibkvmh¦ ;-ii • Twórca wynalazku: Zygmunt Turlo Uprawniany z patentu tymczasowego: Polska Akademia Nauk (Zaklad Astronomii), Torun (Polska) Sposób pomiaru czasu biegu fali elektromagnetycznej w linii przesylowej oraz uklad do stosowania tego sposobu Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru czasu biegu fali elektromagnetycznej typu TEM, TM, TE w dowolnej linii przesylowej, zwlaszcza w linii niejednorodnej o duzym tlumieniu, oraz uklad umozliwiajacy pomiar czasu biegu fali w linii przesylowej z duza dokladnoscia.Dotychczas do pomiaru czasu biegu fali w linii przesylowej stosowane byly omówione ponizej spo¬ soby. Sposób najprostszy polega na pomiarze dlu¬ gosci fali stojacej o znanej czestotliwosci w ba¬ danej linii przesylowej. Pomiar ten najczesciej jest wykonywany przy zastosowaniu linii przesylowej z ruchoma sonda, wzglednie przy pomocy sprze¬ gaczy kierunkowych.Drugi sposób polega na pomiarze czestotliwosci rezonansowych' mierzonego odcinka linii przesylo¬ wej przez pobudzenie do drgan wlasnych lub tez na podstawie pomiaru impedancji wejsciowej ba¬ danej linii w pewnym zakresie czestotliwosci.Wedlug trzeciego sposobu czas biegu fali w linii przesylowej jest wyznaczony na podstawie pomia¬ ru róznicowego przesuniecia fazy fali w linii bada¬ nej w porównaniu do linii wzorcowej o dokladnie znanej dlugosci. Jeszcze inny sposób polega na bez¬ posrednim pomiarze czasu propagacji impulsu o stromych zboczach w mierzonym odcinku linii przesylowej.Dwa pierwsze sposoby sa przydatne jedynie w przypadku, gdy mierzony odcinek linii: przesy¬ lowej jest jednorodny i wprowadza nieznaczne 10 15 20 25 30 tlumienia, w przeciwnym wypadku pomiar czasu biegu fali jest niejednoznaczny i niedokladny.Pomiar róznicowy umozliwia osiagniecie naj¬ wiekszej dokladnosci, jednakze przy jego stosowa¬ niu jest konieczne, aby oba konce mierzonego od¬ cinka linii znajdowaly sie w niewielkiej odleglosci od siebie. Warunek ten nie zawsze jest mozliwy do spelnienia, zwlaszcza przy pomiarze juz zain¬ stalowanych linii przesylowych, a ponadto zwiek¬ sza szanse powstania szkodliwych sprzezen utrud¬ niajacych pomiar i wprowadzajacych bledy syste¬ matyczne. Sposoby bezposrednie nie sa natomiast przydatne do dokladnego pomiaru czasu biegu fali ze wzgledu na rozmycie i znieksztalcenie impulsu sondujacego, wywolane zjawiskiem dyspersji oraz ograniczona wstega przenoszenia linii przesylowej, a takze wymagaja zlozonej aparatury pomiarowej.Celem wynalazku jest opracowanie sposobu umozliwiajacego pomiar czasu biegu fali elek¬ tromagnetycznej jak równiez innych pochodnych parametrów linii przesylowej z wysoka dokladnos¬ cia i odtwarzalnoscia, oraz opracowanie ukladu do stosowania tego sposobu przy wykorzystaniu ty¬ powych latwo dostepnych przyrzadów.Cel ten zostal zgodnie z wynalazkiem osiagnie¬ ty w ten sposób, ze zasila sie jeden koniec bada¬ nego odcinka linii przesylowej fala sinusoidalna o dokladnie znanej i zmienianej w okreslonym za¬ kresie czestotliwosci oraz wyznacza sie metoda ze¬ rowa bezwzgledna wartosc róznicy czestotliwosci, 7415674156 20 25 przy których zanika w elemencie sprzegajacym, umieszczonym na poczatku badanego odcinka linii przesylowej, modulacja amplitudy, wywolana in¬ terferencja pomiedzy fala padajaca a fala odbita od periodycznie zmiennego obciazenia podlaczone- 5 go na drugim koncu linii.Uklad do stosowania sposobu wedlug wynalazku zawiera przestrajalny generator wzorcowy, wytwa¬ rzajacy sinusoidalny sygnal pomiarowy o doklad¬ nie znanej czestotliwosci, zasilajacy jeden koniec 10 badanego odcinka linii przesylowej, do którego to konca, przez element sprzegajacy, jest podlaczony mikrowoltomierz selektywny z detektorem sygna¬ lu niskiej czestotliwosci przekazujacy ten sygnal naf iletektór synchroniczny, wyposazony w miernik 15 poziomu sygnalu wyjsciowego.Detektor synchroniczny jest sterowany przez ge¬ nerator przekazujacy *pbn£j£fp sygnaly sterujace do prze¬ lacznika diodowego, umieszczonego na drugim kon¬ cu badanego odcinka linii przesylowej.Czas biegu dowolnego typu fali elektromagne¬ tycznej tp w badanej linii przesylowej wyznacza sie ze zmierzonej bezwzglednej wartosci róznicy czestotliwosci At na podstawie zaleznosci: 1 tp= lAt Jezeli znana jest geometryczna dlugosc linii prze¬ sylowej lo, to moze byc równiez wyznaczona szyb¬ kosc grupowa propagacji fali Vg w linii.Vg = 2lo^f Przesuwnosc fazowa linii przesylowej dla fali elek¬ tromagnetycznej typu TEM moze byc wyznaczona 35 ze wzoru nt #TEM)—\^JT Natomiast dla fal typu TM i TE przesuwnosc fa- *o zowa mozna wyznaczyc ze wzoru 4 jte/A 10 f A f gdzie: 45 c — szybkosc swiatla w prózni, f — czestotliwosc pomiaru, e — przenikalnosc elektryczna osrodka wy¬ pelniajacego linie przesylowa, \i — przenikalnosc magnetyczna osrodka wy- 5o pelniacego linie przesylowa.Opisany sposób pomiaru, ze wzgledu na wysoka dokladnosc, jest szczególnie przydatny do mierze¬ nia niewielkich zmian czasu propagacji fali w linii ptrzesylowej pod wplywem takich czynników jak 55 zmiany temperatury, cisnienia, odksztalcen mecha¬ nicznych, efektu starzenia itp. Pomiar polega w tym wypadku na okresleniu róznicy czestotli¬ wosci At, o która nalezy przestroic wzorcowy ge¬ nerator, aby sygnal interferencyjny pozostawal na 60 poziomie zerowym przy dzialaniu na linie przesy¬ lowa wspomnianych powyzej czynników zewnetrz¬ nych.Wzgledne zmiany czasu propagacji fali moga byc wtedy okreslone na podstawie zaleznosci: w Atr, At Przy bardzo wysokich czestotliwosciach nalezy zwrócic uwage na takie dobranie warunków po¬ miarów, aby uniknac niejednoznacznosci, które moglyby sie pojawic w wyniku propagacji w linii przesylowej kilku typów fal elektromagnetycznych jednoczesnie.Sposób i uklad wedlug wynalazku pozwalaja osiagnac wysoka dokladnosc pomiaru i unormowa¬ nie go wzgledem skali czasu, gdyz w typowych warunkach dokladnosc pomiaru czasu biegu fali jest uzalezniona jedynie od dokladnosci uzytego wzorca czestotliwosci. W szczególnosci, w porów¬ naniu ze wspomniana metoda róznicowa, sposób wedlug wynalazku zapewnia, w identycznych wa¬ runkach, dwukrotnie wieksza dokladnosc, gdyz fala odbita dwukrotnie przebiega badany odcinek linii przesylowej.Zastosowanie periodycznej zmiany wspólczynni¬ ka odbicia zakonczenia linii i synchronicznej de¬ tekcji sygnalu pozwala wyeliminowac wplyw na wynik pomiaru fal odbitych od stalych niedopaso- wan i niejednorodnosci, dzieki czemu mozna mie¬ rzyc modulowany sygnal interferencyjny w niejed¬ norodnych liniach przesylowych o duzych stratach az do 40 decybeli, Konce badanego odcinka linii przesylowej moga 'byc wzajemnie dowolnie usytuowane, gdyz sygnal wysokiej czestotliwosci jest doprowadzony tylko do jednego z nich.Przedmiot wynalazku jest wyjasniony na przyk¬ ladzie wykonania na rysunku, przedstawiajacym schemat blokowy ukladu do pomiaru czasu biegu fali w linii przesylowej wspólosiowej.Przestrajalny generator 1 sygnalu wzorcowego o przebiegu sinusoidalnym jest podlaczony do ele¬ mentu sprzegajacego 2 umieszczonego na jednym koncu linii przesylowej 3, na której drugim koncu jest umieszczony przelacznik diodowy 4. Z generato¬ rem 1 jest ponadto polaczony, poprzez element sprzegajacy 2, mikrowoltomierz 5 z detektorem ni¬ skiej czestotliwosci. Sygnal niskiej czestotliwosci jest przekazywany do synchronicznego detektora 6 sterowanego przez generator 7 drgan prostokat¬ nych niskiej czestotliwosci, przy czym synchronicz¬ ny detektor jest wyposazony na wyjsciu w mier¬ nik 8 poziomu wejsciowego. Generator 7 drgan prostokatnych steruje ponadto diodowy przelacz¬ nik 4 umieszczony na drugim koncu badanego od¬ cinka linii (przesylowej 3, który zwiera i rozwiera periodycznie ten koniec linii przesylowej, przez co jest periodycznie zmieniany wspólczynnik odbicia.Pomiar czasu biegu fali w linii przesylowej spo¬ sobem wedlug wynalazku polega na przestrajaniu w sposób ciagly, w wybranym zakresie czestotli¬ wosci, generatora 1 sygnalu wzorcowego oraz se¬ lektywnego mikrowoltomierza 5 i rejestrowaniu kolejnych wartosci czestotliwosci, przy których syg¬ nal wyjsciowy synchronicznego detektora 6 ma po¬ ziom zerowy.Do wyznaczania czasu biegu fali w linii przesy¬ lowej konieczne jest okreslenie róznicy czestotli¬ wosci, o która nalezy przestroic wzorcowy genera¬ tor 1, aby na wyjsciu synchronicznego detektora 65 74156 6 zaobserwowac jeden pelny okres interferencyjne¬ go sygnalu, to znaczy nalezy okreslic bezwzgledna wartosc róznicy czestotliwosci pomiedzy co dru¬ gim punktem zerowym, w którym sygnal interfe¬ rencyjny przechodzac przez zero zmienia znak w tym samym kierunku. Postepowanie takie po¬ zwala wyeliminowac bledy wynikajace z niedosko¬ nalosci przelacznika 4, polegajace na tym, ze w praktyce nie udaje sie zrealizowac idealnego zwarcia jak tez rozwarcia linii przesylowej.Przy kazdym pomiarze czestotliwosci punktu ze¬ rowego dokonuje sie kontroli i ewentualnej korek¬ cji do-strojenia mikrowoltomierza 5 i stalosci po¬ ziomu sygnalu wyjsciowego wzorcowego generatora 1. Poziom zerowy detektora synchronicznego kon¬ troluje sie kazdorazowo przez chwilowe odlaczenie napiecia sterujacego diodowy przelacznik 4. PL