RU124812U1 - Устройство для измерения характеристик резонансных структур - Google Patents

Abstract

Устройство для измерения характеристик резонансных структур, содержащее перестраиваемый по частоте генератор, коммутатор, детектор, соединенный с контроллером управления и измерения характеристик резонансных структур, а также последовательно соединенные первую линию передачи, резонансную структуру и вторую линию передачи, причем первый выход коммутатора подключен к входу первой линии передачи, его второй вход - к выходу второй линии передачи, а второй выход - к входу детектора, при этом перестраиваемый по частоте генератор, коммутатор и контроллер управления и измерения характеристик резонансных структур имеют входы/выходы управления, объединенные в шину управления, отличающееся тем, что в него дополнительно введен преобразователь одночастотного колебания в двухчастотное, а детектор выполнен как детектор огибающей, при этом преобразователь одночастотного колебания в двухчастотное имеет входы/выходы управления, подключенные к шине управления, его вход подключен к выходу перестраиваемого по частоте генератора, а выход к первому входу коммутатора.

Description

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 технологических процессов 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. M.S. Venkatesh, G.S.V. Ranghatan. An overview of dielectric properties measuring techniques. Canadian Biosystems Engineering, v. 47, 2005, pp.7.15-7.30), которое содержит контроллер управления и измерения характеристик резонансных структур, последовательно соединенные скалярный или векторный анализатор цепей, первую линию передачи, резонансную структуру и вторую линию передачи, при этом выход второй линии передачи подключен к входу скалярного или векторного анализатора цепей, при этом контроллер управления и определения характеристик резонансных структур и скалярный или векторный анализатор цепей имеют шины управления и обмена данными, соответственно соединенные между собой.

Устройство работает следующим образом. Генерируют зондирующее одночастотное колебание в скалярном или векторном анализаторе цепей, подают его по первой линии передачи на вход резонансной структуры и принимают выходное колебание резонансной структуры с него же при измерениях на отражение или по второй линии передачи при измерениях на пропускание, 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 ƒ_р, амплитуду U_р и добротность Q резонансной структуры в контроллере управления и измерения характеристик резонансных структур. Управление режимом измерений (на отражение или пропускание), процессом перестройки частоты скалярного или векторного анализатора цепей осуществляется контроллером управления и измерения характеристик резонансных структур по шине управления, а получение им данных о частоте и амплитуде или мощности выходного колебания с резонансной структуры - по шине обмена данными.

В случае мониторинга характеристик резонансных структур измерения повторяют с заданным шагом, данные записывают и/или отображают, используя известные средства записи и отображения информации, связанные с контроллером управления и измерения характеристик резонансных структур, которые в данной заявке не рассматриваются.

Недостатком указанного устройства является необходимость использования сложных дорогостоящих скалярного или векторного анализатора цепей и широкополосных детекторов мощности СВЧ диапазона. Это приводит к тому, что подобные устройства преимущественно являются лабораторными. 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 пик-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 США №6617861 В1 «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.

Прототип работает следующим образом. Генерируют зондирующее од-ночастотное колебание в перестраиваемом по частоте генераторе, подают его на первый вход коммутатор и далее с его первого выхода по первой линии передачи на вход резонансной структуры. Принимают выходное колебание резонансной структуры с него же через первый и 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 ƒ_p, амплитуду U_р и добротность Q резонансной структуры в контроллере управления и измерения характеристик резонансных структур. Управление режимом измерений (на отражение или пропускание), процессом перестройки частоты скалярного или векторного анализатора цепей, 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 - с выхода детектора.

Данное устройство использует менее сложное оборудование, применимое в условиях производства. Однако и в этом случае используется широкополосный детектор мощности СВЧ диапазона. Поэтому недостатком указанного устройства также является то, что 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 пик-детектора низкочастотной природы. Все это приводит к появлению дополнительных источников погрешностей измерения характеристик резонансных структур и снижению их точности в целом.

Решаемая техническая задача заключается в повышении чувствительности и точности измерений.

Решаемая техническая задача в устройстве для измерения характеристик резонансных структур, содержащем перестраиваемый по частоте генератор, коммутатор, детектор, соединенный с контроллером управления и измерения характеристик резонансных структур, а также последовательно соединенные первую линию передачи, резонансную структуру и вторую линию передачи, причем первый выход коммутатора подключен к входу первой линии передачи, его второй вход к выходу второй линии передачи, а второй выход к входу детектора, при этом перестраиваемый по частоте генератор, коммутатор и контроллер управления и измерения характеристик резонансных структур имеют входы/выходы управления, объединенные в шину управления, достигается тем, что в него дополнительно введен преобразователь одночастотного колебания в двухчастотное, а детектор выполнен как детектор огибающей, при этом преобразователь одночастотного колебания в двухчастотное имеет входы/выходы управления, подключенные к шине управления, его вход подключен к выходу перестраиваемого по частоте генератора, а выход к первому входу коммутатора.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства.

На фиг.2 изображена зависимость коэффициента модуляции огибающей биений сигналов зондирующего колебания, полученного на выходе преобразователя одночастотного колебания в двухчастотное, прошедшего через или отраженного от резонансной структуры и зарегистрированного на выходе детектора, от обобщенной расстройки полосы пропускания резонансной структуры.

Устройство для измерения характеристик резонансных структур (фиг.1) содержит перестраиваемый по частоте генератор 1, коммутатор 2, детектор 3, соединенный с контроллером 4 управления и измерения характеристик резонансных структур, а также последовательно соединенные первую линию передачи 5, резонансную структуру 6 и вторую линию передачи 7, причем первый выход коммутатора 2 подключен к входу первой линии передачи 5, его второй вход к выходу второй линии передачи 7, а второй выход к входу детектора 3. Перестраиваемый по частоте генератор 1, коммутатор 2 и контроллер 4 управления и измерения характеристик резонансных структур имеют входы/выходы управления, объединенные в шину управления 8. В устройство дополнительно введен преобразователь 9 одночастотного колебания в двухчастотное, детектор 3, выполнен как детектор огибающей, при этом преобразователь 9 одночастотного колебания в двухчастотное имеет входы/выходы управления, подключенные к шине управления 8, его вход подключен к выходу перестраиваемого по частоте генератора 1, а выход к первому входу коммутатора 2.

На фиг.1 штриховыми линиями условно показаны первая 5 и вторая 7 линии передачи, выполненные на основе коаксиального кабеля. Соединения между перестраиваемым по частоте генератором 1, преобразователем 9 одночастотного колебания в двухчастотное, коммутатором 2 и детектором 3 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. Все блоки имеют систему электропитания, которая на структурной схеме устройства не показана.

На фиг.2 изображена зависимость коэффициента модуляции огибающей биений сигналов зондирующего колебания, полученного на выходе преобразователя 9 одночастотного колебания в двухчастотное, прошедшего через или отраженного от резонансной структуры 6 и зарегистрированного на выходе детектора 3, от обобщенной расстройки полосы пропускания резонансной структуры 6.

Зондирующее колебание в предлагаемом устройстве в отличие от зондирующего колебания в существующих устройствах и прототипе является двухчастотным. Изображенная на фиг.2 зависимость представлена для случая зондирования резонансной структуры 6 двухчастотным колебанием с разностной частотой, меньшей или равной ширине ее полосы пропускания. Характерной точкой является точка нулевой обобщенной расстройки, которая соответствует равенству средней частоты зондирующего колебания резонансной частоте резонансной структуры 6. В этом случае амплитуды составляющих зондирующего колебания равны, а коэффициент модуляции огибающей сигнала биений компонент зондирующего колебания на разностной частоте на выходе детектора 3 будет равен единице. Этот факт используется для принятия решения об определении резонансной частоты.

Рассмотрим работу устройства для измерения характеристик резонансных структур.

В контроллере 4 управления и измерения характеристик резонансных структур заложена программа, реализующая алгоритм управления работой отдельных блоков устройства, и алгоритм измерения характеристик резонансных структур, которые представлены в приложениях 1 и 2 к данной за явке. Для измерения характеристик резонансных структур с помощью перестраиваемого по частоте генератора 1 генерируют исходное одночастотное колебание, которое преобразуют в зондирующее колебание в преобразователе 9 одночастотного колебания в двухчастотное.

Для этого с контроллера 4 управления и измерения характеристик резонансных структур через шину управления 8 подается команда управления параметрами генерации перестраиваемого по частоте генератора 1 и преобразования в преобразователе 9 одночастотного колебания в двухчастотное. Алгоритм управления контроллером 4 управления и измерения характеристик резонансных структур работой отдельных блоков устройства через шину управления 8 представлен в Приложении 1.

В соответствии с поданной командой зондирующее колебание в преобразователе 9 одночастотного колебания в двухчастотное формируют двухчастотным, состоящим из двух одночастотных сигналов равной амплитуды соответственно на частотах ƒ₁₁ и ƒ₁₂. Для его формирования в перестраиваемом по частоте генераторе 1 генерируют среднюю частоту равную ƒ_с=(ƒ₁₁+ƒ₁₂)/2. Средняя частота поступает в преобразователь 9 одночастотного колебания в двухчастотное, в котором по полученной команде задают начальную разностную частоту между формируемыми составляющими двухчастотного зондирующего колебания Δƒ_P1=ƒ₁₁-ƒ₁₂, как правило, меньшую или равную ширине полосы пропускания резонансной структуры 6, при этом сама средняя частота подавляется.

Затем передают зондирующее колебание к резонансной структуре 6 через коммутатор 2 и первую линию передачи 5. В зондирующем колебании, проходящем через резонансную структуру 6, происходит изменение амплитуд составляющих зондирующего колебания, они становятся не равными в зависимости от взаимного положения его средней частоты и резонансной частоты резонансной структуры 6.

Далее принимают зондирующее колебание после воздействия на резонансную структуру 6 на детекторе 3. При этом возможна реализация двух режимов приема в зависимости от типа резонансной структуры 6, приспособленной для работы на отражение или пропускание. При работе на отражение в соответствии с алгоритмом управления по шине управления 8 включают коммутатор 2 с контроллера 4 управления и измерения характеристик резонансных структур в режим «циркулятора», так что отраженное от резонансной структуры 6 выходное двухчастотное колебание через первую линию передачи 5 и первый выход коммутатора 2 поступает на второй выход коммутатора 2 и далее на детектор 3. При работе на пропускание в соответствии с алгоритмом управления по шине управления 8 включают коммутатор 2 с контроллера 4 управления и измерения характеристик резонансных структур в режим «двойного Т-моста», так что прошедшее через резонансную структуру 6 выходное двухчастотное колебание через вторую линию передачи 5 и второй вход коммутатора 2 поступает на второй выход коммутатора 2 и далее на детектор 3.

На выходе детектора 3 образуется сигнал, соответствующий огибающей биений двух составляющих выходного двухчастотного колебания, отраженного от или прошедшего через резонансную структуру 6.

Далее в соответствии с алгоритмом управления подают команду по шине управления 8 с контроллера 4 управления и измерения характеристик резонансных структур на перестраиваемый по частоте генератор 1 для перестройки средней частоты зондирующего двухчастотного колебания с заданным шагом в диапазоне измерений, соответствующем полосе частот резонансной структуры 6, и на преобразователь 9 одночастотного колебания в двухчастотное для сохранения постоянной в ходе перестройки разностной частоту Δƒ_P1.

В ходе перестройки в контроллере 4 управления и измерения характеристик резонансных структур регистрируют изменение средней частоты зондирующего колебания ƒ_с=(ƒ₁₁+ƒ₁₂)/2 и измеряют коэффициент модуляции m его огибающей на выходе детектора 3, по достижении которым значения m=1 (фиг.2) определяют резонансную частоту ƒ_Р резонансной структуры 6, как равную значению средней частоты ƒ_с в данный момент времени и измеряют соответствующую ему амплитуду огибающей зондирующего колебания U₁ на выходе резонансной структуры 6. Алгоритм измерений характеристик резонансных структур в контроллере 4 управления и измерения представлен в Приложении 2.

На фиг.2 изображена зависимость коэффициента модуляции огибающей биений сигналов зондирующего колебания, полученного на выходе преобразователя 9 одночастотного колебания в двухчастотное, прошедшего через или отраженного от резонансной структуры 6 и зарегистрированного на выходе детектора 3, от обобщенной расстройки полосы пропускания резонансной структуры 6 для случая подачи на нее двухчастотного зондирующего колебания с разностной частотой, меньшей или равной ширине указанной полосы пропускания.

Характерной точкой является точка нулевой обобщенной расстройки, которая соответствует равенству средней частоты зондирующего колебания резонансной частоте резонансной структуры 6. В этом случае амплитуды составляющих зондирующего колебания становятся вновь равными, а коэффициент модуляции огибающей сигнала биений компонент зондирующего колебания на разностной частоте на выходе детектора 3 будет равен единице. Этот факт используют для принятия решения об определении резонансной частоты ƒ_Р резонансной структуры 6.

В данный момент в соответствии с алгоритмом управления подают команду по шине управления 8 с контроллера 4 управления и измерения характеристик резонансных структур на перестраиваемый по частоте генератор 1 для остановки изменения средней частоты ƒ_с зондирующего колебания, и на преобразователь 9 одночастотного колебания в двухчастотное для изменения начальной разностной частоты Δƒ_Р1 на определенную величину 2Δƒ, так что значения частот составляющих зондирующего колебания становятся равны соответственно ƒ₂₁=ƒ₁₁-Δƒ и ƒ₂₂=ƒ₁₂+Δƒ, а второе значение разностной частоты Δƒ_р2=Δƒ_р1+2Δƒ не превышает полосы пропускания резонансной структуры. После выполнения команды в соответствии с алгоритмом измерений в контроллере 4 управления и измерения характеристик резонансных структур фиксируют амплитуду огибающей сигнала биений компонент зондирующего колебания U₂ на выходе детектора 3.

Далее в соответствии с алгоритмом измерений в контроллере 4 управления и измерения характеристик резонансных структур вычисляют резонансную амплитуду U_p резонансной структуры 6 по выражению

,

где χ=U₂Δƒ_P2/U₂Δƒ_P1 добротность Q резонансной структуры 6 по выражению

, где i=1,2.

Таким образом, измеряя на выходе детектора 3:

- коэффициент модуляции m огибающей сигнала биений компонент зондирующего колебания, отраженного от или прошедшего через резонансную структуру 6, определяют резонансную частоту ƒ_Р при равенстве m=1;

- амплитуды U₁ и U₂ огибающей сигнала биений компонент зондирующего колебания, отраженного от или прошедшего через резонансную структуру 6, определяют резонансную амплитуду U_p при разных разностных частотах Δƒ_Р1 и Δƒ_Р2 и настройке на резонансную частоту ƒ_с=ƒ_р,

далее вычисляют по полученным значениям добротность Q резонансной структуры 6.

Устройство может быть реализовано с использованием различных типов резонансных структур 6, конкретный вид которых определяется в зависимости от решаемых задач и в свою очередь вид проводимых измерений: на отражение или на пропускание. Это могут быть полосковые, волноводные, плоскостные и объемные резонаторы и т.д.

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;

- коммутатор 2 - управляемые циркуляторы, двойные Т-мосты или комбинированные устройства фирм Microwave Devices или ФГУП «Исток»;

- детектор 3 - детектор огибающей ADL5511 фирмы Analog Devices;

- контроллер 4 - микропроцессорный контроллер на базе чипов фирм Atmel, Microchip и т.д.;

- первая и вторая линии передачи 5, 7 - коаксиальные кабели типа РК, полосковые линии или отрезки волноводов в соответствии с полосой резонансной структуры;

- шина управления 8 - шины реализующие передачу сигналов управления и данных по протоколам Modbus, RS и других;

- преобразователь 9 одночастотного колебания в двухчастотное - N-канальный синтезатор частот ADF4156 фирмы Analog Devices.

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, линейных или объемных датчиков, которые характеризуются изменениями резонансной частоты, амплитуды и добротности в зависимости от изменения электрофизических параметров материалов, заполняющих датчик, в ходе технологических процессов обработки, например, отверждения полимеров, предложенное устройство с двухчастотным зондированием резонаторного датчика и измерением коэффициента модуляции и амплитуды огибающей биений измерительной пары сигналов после отражения от или прохождения через него с дальнейшим вычислением резонансных характеристик не требует:

во-первых, применения широкополосного приема, а позволяет обрабатывать сигнал на частоте биений компонент двухчастотного сигнала, равной разностной частоте между ними, что существенно сужает полосу пропускания приемной части устройства (с единиц ГГц до единиц МГц) и соответственно повышает отношение сигнал/шум измерений;

во-вторых, применения пик-детектора с прямым детектированием, который характеризуется наличием сильной зависимости отношения сигнал шум от интенсивности шумов и других флуктуации, особенно в низкочастотной области, а использует детектор огибающей полоса пропускания которого находится в области минимальных шумов приемной части устройства, что соответственно также повышает отношение сигнал/шум измерений и позволяет избежать влияния на точность измерения интенсивных низкочастотных флуктуаций и помех.

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(ƒ) - 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. Для прямого детектирования диапазона {0, Δƒ_пп} в пик-детекторе - это токовые шумы с распределением вида 1/ƒ и другие мощные шумы и флуктуации низкочастотной природы, для диапазона {Δƒ_Р2-Δƒ_пп, Δƒ_Р2+Δƒ_пп} детектора огибающей - это дробовой шум малой интенсивности, где Δƒ_пп - 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.

Испытания опытного устройства измерения характеристик резонансных структур были проведены в лаборатории НОЦ «НИЦ прикладной электродинамики» КНИТУ-КАИ им. А.Н.Туполева на резонансных датчиках,выполненных на кабельных коаксиальных решетках Брэгга, изготовленных в НОЦ «Волоконно-оптические технологии» КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева, откалиброваны на векторных анализаторах цепей R&S FSH8, калибровка подтверждена на векторных анализаторах цепей R&S ZWA50 в лаборатории Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики (Самара), и показали, что использование двухчастотного зондирования резонансного датчика с измерением характеристик резонансных структур по огибающей биений компонент двухчастотного выходного сигнала, позволило достичь отношения сигнал/шум измерений до 45 дБ и относительной погрешности измерения 0,01%. При этом погрешность измерения определялась в основном погрешностью АЦП контроллера при измерении амплитуды огибающей.

Все это позволяет говорить о достижении решения поставленной технической задачи - повышении чувствительности и точности устройств измерения характеристик резонансных структур.

Claims (1)

1. Устройство для измерения характеристик резонансных структур, содержащее перестраиваемый по частоте генератор, коммутатор, детектор, соединенный с контроллером управления и измерения характеристик резонансных структур, а также последовательно соединенные первую линию передачи, резонансную структуру и вторую линию передачи, причем первый выход коммутатора подключен к входу первой линии передачи, его второй вход - к выходу второй линии передачи, а второй выход - к входу детектора, при этом перестраиваемый по частоте генератор, коммутатор и контроллер управления и измерения характеристик резонансных структур имеют входы/выходы управления, объединенные в шину управления, отличающееся тем, что в него дополнительно введен преобразователь одночастотного колебания в двухчастотное, а детектор выполнен как детектор огибающей, при этом преобразователь одночастотного колебания в двухчастотное имеет входы/выходы управления, подключенные к шине управления, его вход подключен к выходу перестраиваемого по частоте генератора, а выход к первому входу коммутатора.

   

Images