RU136578U1 - Coherent superheterodyne spectrometer of electron paramagnetic resonance - Google Patents

Coherent superheterodyne spectrometer of electron paramagnetic resonance Download PDF

Info

Publication number
RU136578U1
RU136578U1 RU2013116612/28U RU2013116612U RU136578U1 RU 136578 U1 RU136578 U1 RU 136578U1 RU 2013116612/28 U RU2013116612/28 U RU 2013116612/28U RU 2013116612 U RU2013116612 U RU 2013116612U RU 136578 U1 RU136578 U1 RU 136578U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
input
output
signal
frequency
phase
Prior art date
Application number
RU2013116612/28U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Ицекович Рокеах
Михаил Юрьевич Артёмов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина"
Общество с ограниченной ответственностью "Спектр"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Общество с ограниченной ответственностью "Спектр" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина"
Priority to RU2013116612/28U priority Critical patent/RU136578U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU136578U1 publication Critical patent/RU136578U1/en

Links

Images

Landscapes

  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Abstract

Когерентный супергетеродинный спектрометр электронного парамагнитного резонанса, включающий сигнальный и гетеродинный генераторы СВЧ, два делителя мощности СВЧ, смесители опорного и сигнального каналов, циркулятор с измерительным резонатором и элементом перестройки резонансной частоты измерительного резонатора, измерительный аттенюатор, усилители промежуточной частоты (УПЧ) опорного и сигнального каналов, два фазочастотных дискриминатора с фильтрами на выходах, два синхронных детектора, два фазовращателя ПЧ, опорный генератор и переключатель режимов работ, причем выход измерительного аттенюатора соединен со входом первого делителя мощности СВЧ, один из выходов которого соединен с первым плечом циркулятора, а второй - с сигнальным входом смесителя опорного канала, выход гетеродинного генератора соединен со входом второго делителя мощности, один из выходов которого соединен с гетеродинным входом смесителя опорного канала, а второй - с гетеродинным входом смесителя сигнального канала, второе плечо циркулятора соединено с измерительным резонатором, снабженным элементом перестройки его резонансной частоты, третье плечо циркулятора соединено со входом смесителя сигнального канала, а его выход - со входом УПЧ сигнального канала, выход которого соединен с сигнальными входами первого и второго синхронных детекторов, выход первого фазовращателя соединен с опорным входом одного из синхронных детекторов и со входом второго фазовращателя, выход которого соединен с опорным входом второго синхронного детектора, выход второго фазочастотного дискриминатора соединен с управляющим электродом гетеродинно�Coherent superheterodyne electron paramagnetic resonance spectrometer, including microwave signal and heterodyne generators, two microwave power dividers, reference and signal channel mixers, a circulator with a measuring resonator and an element for tuning the resonant frequency of the measuring resonator, a measuring attenuator, intermediate frequency amplifiers (IF) of the reference and signal channels , two phase-frequency discriminators with filters at the outputs, two synchronous detectors, two IF phase shifters, a reference oscillator, and an operating mode switch, the output of the measuring attenuator connected to the input of the first microwave power divider, one of the outputs of which is connected to the first arm of the circulator, and the second to the signal input of the reference channel mixer, the output of the local oscillator is connected to the input of the second power divider, one of the outputs of which connected to the heterodyne input of the mixer of the reference channel, and the second to the heterodyne input of the mixer of the signal channel, the second arm of the circulator is connected to a measuring resonator equipped with an electric by tuning its resonant frequency, the third arm of the circulator is connected to the input of the signal channel mixer, and its output is connected to the input of the IF signal channel, the output of which is connected to the signal inputs of the first and second synchronous detectors, the output of the first phase shifter is connected to the reference input of one of the synchronous detectors and with the input of the second phase shifter, the output of which is connected to the reference input of the second synchronous detector, the output of the second phase-frequency discriminator is connected to the control electrode heterodyne

Description

Полезная модель относится к технической физике и может быть использована при изготовлении спектрометров электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).The utility model relates to technical physics and can be used in the manufacture of electron paramagnetic resonance (EPR) spectrometers.

Известен спектрометр ЭПР (Guy Rogeret al. Use of a digital PLL in an ESR heterodyne spectrometer // T. Phys R: Sci Instrum, 1981, v.14, р.335-338.), содержащий гетеродинный и сигнальный генераторы СВЧ, смесители опорного и сигнального каналов, циркулятор с измерительным резонатором, измерительный аттенюатор. СВЧ-фазовращатель, частотный дискриминатор на основе эталонного высокодобротного резонатора, модуляционную систему автоподстройки частоты сигнального генератора СВЧ, усилители промежуточной частоты (УПЧ) опорного и сигнального каналов, синхронный детектор промежуточной частоты, систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) гетеродинного генератора с высокостабильным опорным источником промежуточной частоты и переключатель режимов работы, причем выход гетеродинного генератора соединен с гетеродинным входом смесителя опорного канала и с фазовращателем, выход которого соединен с гетеродинным входом смесителя сигнального канала, выход сигнального генератора соединен с сигнальным входом смесителя опорного сигнала, входом частотного дискриминатора и входом измерительного аттенюатора, первое плечо циркулятора соединено с выходом измерительного аттенюатора, второе с измерительным резонатором, а третье с сигнальным входом смесителя сигнального канала, выход смесителя сигнального канала соединен с входом УПЧ сигнального канала, а его выход с сигнальным входом синхронного детектора промежуточной частоты, выход смесителя опорного канала соединен с входом системы фазовой автоподстройки гетеродинного генератора СВЧ и с входом УПЧ опорного канала, выход УПЧ опорного канала соединен с опорным входом синхронного детектора промежуточной частоты, вход модуляционной системы автоподстройки частоты через переключатель режимов работы соединен либо с выходом частотного дискриминатора, либо с выходом синхронного детектора промежуточной частоты, а ее выход соединен с управляющим электродом сигнального генератора, выход системы фазовой автоподстройки гетеродинного генератора СВЧ соединен с его управляющим электродом.Known EPR spectrometer (Guy Rogeret al. Use of a digital PLL in an ESR heterodyne spectrometer // T. Phys R: Sci Instrum, 1981, v.14, p. 335-338.), Containing microwave heterodyne and signal generators, mixers reference and signal channels, a circulator with a measuring resonator, a measuring attenuator. A microwave phase shifter, a frequency discriminator based on a reference high-Q resonator, a modulation system for auto-tuning the frequency of the microwave signal generator, intermediate frequency amplifiers (IFA) of the reference and signal channels, a synchronous intermediate frequency detector, a phase-locked loop (PLL) of a heterodyne generator with a highly stable reference source of intermediate frequency and an operating mode switch, wherein the output of the local oscillator is connected to the local oscillator input of the reference mixer ala and with a phase shifter, the output of which is connected to the heterodyne input of the signal channel mixer, the output of the signal generator is connected to the signal input of the reference signal mixer, the input of the frequency discriminator and the input of the measuring attenuator, the first arm of the circulator is connected to the output of the measuring attenuator, the second to the measuring resonator, and the third with the signal input of the signal channel mixer, the output of the signal channel mixer is connected to the input of the IF signal channel, and its output with the signal input syn intermediate frequency detector, the output of the reference channel mixer is connected to the input of the phase-locked loop system of the heterodyne microwave generator and to the input of the IF amplifier of the reference channel, the output of the IF amplifier of the reference channel is connected to the reference input of the intermediate frequency synchronous detector, the input of the frequency-modulation system via the mode switch is connected to either the output of the frequency discriminator, or with the output of a synchronous detector of an intermediate frequency, and its output is connected to the control electrode of the signal generator of yield heterodyne phase locked microwave generator system is connected to its control electrode.

Однако, этот спектрометр сложен в настройке, что связано с необходимостью подбора нужных фазовых соотношений при помощи регулируемого СВЧ-фазовращателя для каждой установки измерительного аттенюатора, обладает недостаточной стабильностью, связанной с независимостью настройки потенциально нестабильных СВЧ-фазовращателя и измерительного аттенюатора; недостаточной разрешающей способностью, что связано с использованием модуляционной системы автоподстройки частоты, снижающей спектральную чистоту СВЧ сигнала, но необходимой при непостоянных фазовых соотношениях, в устройстве для различных установок измерительного аттенюатораHowever, this spectrometer is difficult to configure, which is associated with the need to select the necessary phase relations using an adjustable microwave phase shifter for each installation of the measuring attenuator; it has insufficient stability due to the independence of the tuning of potentially unstable microwave phase shifter and measuring attenuator; insufficient resolution, which is associated with the use of a modulation system of automatic frequency control, which reduces the spectral purity of the microwave signal, but necessary with variable phase ratios, in a device for various settings of the measuring attenuator

Наиболее близким к полезной модели является спектрометр ЭПР (Патент №1739751, МПК6 G01N 24/10, опубл. 10.10.1995), содержащий сигнальный и гетеродинный генераторы СВЧ, измерительный резонатор, смесители опорного и сигнального каналов, циркулятор, измерительный резонатор, УПЧ опорного и сигнального каналов, два фазовых дискриминатора, высокостабильный опорный генератор, два синхронных детектора, два фазовращателя, третий смеситель, третий УПЧ, генератор гармоник, переключатель режимов работы и элемент перестройки резонансной частоты измерительного резонатора, причем УПЧ опорного канала выполнен как нормирующий усилитель- формирователь, фазовращатели имеют фиксированный фазовый сдвиг, выход измерительного аттенюатора соединен со входом первого делителя мощности СВЧ, один из выходов которого соединен с первым плечом циркулятора, а второй - с сигнальным входом смесителя опорного канала, выход гетеродинного генератора соединен со входом второго делителя мощности, один из выходов которого соединен с гетеродинным входом смесителя опорного канала, а второй - с гетеродинным входом смесителя сигнального канала, второе плечо циркулятора соединено с измерительным резонатором, снабженным элементом перестройки его резонансной частоты, третье плечо циркулятора соединено со входом смесителя сигнального канала, а его выход - со входом УПЧ сигнального канала, выход которого соединен с сигнальными входами первого и второго синхронных детекторов, выход первого фазовращателя соединен с опорным входом одного из синхронных детекторов и со входом второго фазовращателя, выход которого соединен с опорным входом второго синхронного детектора, выход второго фазочастотного дискриминатора соединен с управляющим электродом гетеродинного генератора, а переключатель режимов работы выполнен трехпозиционным, в первом и втором положении обеспечивающим соединение управляющего частотой электрода сигнального генератора с выходом первого фазочастотного дискриминатора, а в третьем - с выходом первого синхронного детектора, во втором положении обеспечивающим дополнительное соединение выхода первого синхронного детектора с элементом перестройки резонансной частоты измерительного резонатора, а УПЧ опорного канала выполнен в виде нормирующего усилителя формирователя напряжения, при этом первый и второй фазовращатели ПЧ выполнены с фиксированным фазовым сдвигом и фазовый сдвиг второго составляет ±π/2.Closest to the utility model is an EPR spectrometer (Patent No. 1739751, MPK6 G01N 24/10, publ. 10.10.1995), containing microwave signal and local oscillators, measuring resonator, reference and signal channel mixers, circulator, measuring resonator, reference and signal channels, two phase discriminators, a highly stable reference oscillator, two synchronous detectors, two phase shifters, a third mixer, a third IF amplifier, a harmonic generator, an operating mode switch and an element for tuning the resonant frequency of the measuring a tenator, and the OPC of the reference channel is made as a normalizing amplifier-driver, the phase shifters have a fixed phase shift, the output of the measuring attenuator is connected to the input of the first microwave power divider, one of the outputs of which is connected to the first arm of the circulator, and the second to the signal input of the mixer of the reference channel, the output of the heterodyne generator is connected to the input of the second power divider, one of the outputs of which is connected to the heterodyne input of the mixer of the reference channel, and the second to the heterodyne input of the mixture of the signal channel, the second arm of the circulator is connected to a measuring resonator equipped with an element for tuning its resonant frequency, the third arm of the circulator is connected to the input of the mixer of the signal channel, and its output is connected to the input of the signal amplifier channel, the output of which is connected to the signal inputs of the first and second synchronous detectors , the output of the first phase shifter is connected to the reference input of one of the synchronous detectors and to the input of the second phase shifter, the output of which is connected to the reference input of the second synchronous detector, the output of the second phase-frequency discriminator is connected to the control electrode of the heterodyne generator, and the operating mode switch is made three-position, in the first and second position provides the connection of the frequency control electrode of the signal generator with the output of the first phase-frequency discriminator, and in the third - with the output of the first synchronous detector, in the second position providing an additional connection of the output of the first synchronous detector with the tuning element of the resonant frequency resonator cavity, and the OPC of the reference channel is made in the form of a normalizing amplifier of a voltage driver, while the first and second IF phase shifters are made with a fixed phase shift and the phase shift of the second is ± π / 2.

Недостатки устройства заключаются в том, что в режиме стабилизации частоты сигнального генератора по внешнему (абсолютному) эталону петля ФАПЧ работает с использованием сигнала, полученного смешением сигнала стабилизируемого генератора с одним из сигналов сетки частот, полученных умножением частоты опорного высокостабильного генератора, последующего выделения и усиления разностного сигнала специальным селективным усилителем. Такое решение обладает схемотехнической и конструктивной сложностью, имеет значительные габариты, потребляет заметную мощность и является источником дополнительных фазовых шумов стабилизируемого генератора.The disadvantages of the device are that in the stabilization mode of the signal generator frequency according to an external (absolute) standard, the PLL loop operates using the signal obtained by mixing the signal of the stabilized generator with one of the frequency grid signals obtained by multiplying the frequency of the highly stable reference generator, then isolating and amplifying the difference signal special selective amplifier. Such a solution has circuit and structural complexity, has significant dimensions, consumes noticeable power and is a source of additional phase noise of a stabilized generator.

Другим недостатком устройства является использование как для формирования сетки опорных частот, так и в качестве опорных сигналов в фазовых дискриминаторах и фазочувствительных (синхронных) детекторах сигнала фиксированной частоты опорного высокостабильного генератора, что затрудняет построение петель ФАПЧ с использованием интегрированных микроэлектронных решений.Another disadvantage of the device is the use of both a reference frequency generator and a reference signal in phase discriminators and phase-sensitive (synchronous) signal detectors of a fixed frequency reference highly stable generator, which complicates the construction of PLL loops using integrated microelectronic solutions.

Задачей полезной модели является упрощение устройства, уменьшение его габаритов, потребляемой мощности и стоимости, уменьшение фазовых шумов генератора СВЧ, реализация необходимой функциональности на типовых, серийно выпускаемых микроэлектронных компонентах.The objective of the utility model is to simplify the device, reduce its dimensions, power consumption and cost, reduce the phase noise of the microwave generator, implement the necessary functionality on standard, commercially available microelectronic components.

Поставленная задача достигается за счет того, что когерентный супергетеродинный спектрометр электронного парамагнитного резонанса, включающий сигнальный и гетеродинный генераторы СВЧ, два делителя мощности СВЧ, смесители опорного и сигнального каналов, циркулятор с измерительным резонатором и элементом перестройки резонансной частоты измерительного резонатора, измерительный аттенюатор, усилители промежуточной частоты (УПЧ) опорного и сигнального каналов, два фазочастотных дискриминатора с фильтрами на выходах, два синхронных детектора, два фазовращателя ПЧ, опорный генератор и переключатель режимов работ, причем выход измерительного аттенюатора соединен со входом первого делителя мощности СВЧ, один из выходов которого соединен с первым плечом циркулятора, а второй - с сигнальным входом смесителя опорного канала, выход гетеродинного генератора соединен со входом второго делителя мощности, один из выходов которого соединен с гетеродинным входом смесителя опорного канала, а второй - с гетеродинным входом смесителя сигнального канала, второе плечо циркулятора соединено с измерительным резонатором, снабженным элементом перестройки его резонансной частоты, третье плечо циркулятора соединено со входом смесителя сигнального канала, а его выход - со входом УПЧ сигнального канала, выход которого соединен с сигнальными входами первого и второго синхронных детекторов, выход первого фазовращателя соединен с опорным входом одного из синхронных детекторов и со входом второго фазовращателя, выход которого соединен с опорным входом второго синхронного детектора, выход второго фазочастотного дискриминатора соединен с управляющим электродом гетеродинного генератора, а переключатель режимов работы выполнен трехпозиционным, в первом и втором положении обеспечивающим соединение управляющего частотой электрода сигнального генератора с выходом первого фазочастотного дискриминатора, а в третьем - с выходом первого синхронного детектора, во втором положении обеспечивающим дополнительное соединение выхода первого синхронного детектора с элементом перестройки резонансной частоты измерительного резонатора, а УПЧ опорного канала выполнен в виде нормирующего усилителя формирователя напряжения, при этом первый и второй фазовращатели ПЧ выполнены с фиксированным фазовым сдвигом и фазовый сдвиг второго составляет ±π/2, дополнительно содержит два делителя частоты, устройство синтеза опорных частот, а сигнальный генератор оснащен дополнительным выходом, причем выход опорного генератора соединен со входом устройства синтеза опорных частот, один из выходов которого соединен с опорным входом первого фазочастотного дискриминатора, второй - с опорным входом второго фазочастотного дискриминатора, а третий - со входом первого фазовращателя, а вспомогательный выход сигнального генератора через первый делитель частоты соединен с сигнальным входом первого фазочастотного дискриминатора, вход второго делителя частоты соединен с выходом УПЧ опорного канала, а его выход с опорным входом второго фазочастотного дискриминатора.The problem is achieved due to the fact that the coherent superheterodyne spectrometer of electron paramagnetic resonance, including signal and heterodyne microwave generators, two microwave power dividers, reference and signal channel mixers, a circulator with a measuring resonator and an element for tuning the resonant frequency of the measuring resonator, measuring attenuator, intermediate amplifiers frequency (UPCH) of the reference and signal channels, two phase-frequency discriminators with filters at the outputs, two synchronous det one, two IF phase shifters, a reference generator and a mode switch, the output of the measuring attenuator connected to the input of the first microwave power divider, one of the outputs of which is connected to the first arm of the circulator, and the second to the signal input of the mixer of the reference channel, the output of the local oscillator is connected to the input of the second power divider, one of the outputs of which is connected to the heterodyne input of the mixer of the reference channel, and the second to the heterodyne input of the mixer of the signal channel, the second arm of the circulator ineno with a measuring resonator equipped with an element for tuning its resonant frequency, the third arm of the circulator is connected to the input of the signal channel mixer, and its output is connected to the input of the signal converter channel, the output of which is connected to the signal inputs of the first and second synchronous detectors, the output of the first phase shifter is connected to the reference the input of one of the synchronous detectors and with the input of the second phase shifter, the output of which is connected to the reference input of the second synchronous detector, the output of the second phase-frequency discriminant pa is connected to the control electrode of the local oscillator, and the operating mode switch is three-position, in the first and second position it provides the connection of the frequency control electrode of the signal generator with the output of the first phase-frequency discriminator, and in the third - with the output of the first synchronous detector, in the second position provides an additional output connection the first synchronous detector with the tuning element of the resonant frequency of the measuring resonator, and the OPC reference channel is made in the form of a normalizing voltage driver amplifier, with the first and second IF phase shifters made with a fixed phase shift and the second phase shift of ± π / 2, additionally contains two frequency dividers, a reference frequency synthesis device, and a signal generator equipped with an additional output, and the output of the reference generator connected to the input of the reference frequency synthesis device, one of the outputs of which is connected to the reference input of the first phase-frequency discriminator, the second to the reference input of the second phase-frequency of the first discriminator, and the third with the input of the first phase shifter, and the auxiliary output of the signal generator through the first frequency divider is connected to the signal input of the first phase-frequency discriminator, the input of the second frequency divider is connected to the output of the IF amplifier of the reference channel, and its output with the reference input of the second phase-frequency discriminator.

На чертеже представлена блок-схема когерентного супергетеродинного спектрометра ЭПР.The drawing shows a block diagram of a coherent superheterodyne EPR spectrometer.

Спектрометр содержит сигнальный 1 и гетеродинный 2 генераторы СВЧ, измерительный аттенюатор 3, смеситель 4 опорного и смеситель 5 сигнального каналов, циркулятор 6 с измерительным резонатором 7, УПЧ 8 опорного и УПЧ 9 сигнального каналов, фазочастотные дискриминаторы 10 и 11, делители частоты 12 и 13, синхронные детекторы 14 и 15, фазовращатели 16 и 17, элемент перестройки резонансной частоты измерительного резонатора 18, делители СВЧ мощности 19 и 20, трехпозиционный переключатель 21 режимов работы, устройство синтеза опорных частот 22, опорный генератор 23.The spectrometer contains a signal 1 and a local oscillator 2 microwave generators, a measuring attenuator 3, a mixer 4 reference and a mixer 5 signal channels, a circulator 6 with a measuring resonator 7, UPCH 8 reference and UPCH 9 signal channels, phase-frequency discriminators 10 and 11, frequency dividers 12 and 13 , synchronous detectors 14 and 15, phase shifters 16 and 17, tuning element of the resonant frequency of the measuring resonator 18, microwave power dividers 19 and 20, three-position switch 21 operating modes, a device for synthesizing reference frequencies 22, a reference oscillator 23 .

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Сигнал с основного выхода сигнального генератора СВЧ 1, электрические колебания которого описываются функцией COS(ωMt), через измерительный аттенюатор 3, дающий набег фазы α, поступает на вход делителя мощности 19. Часть мощности ответвляется на сигнальный вход смесителя 4 опорного канала, достигая его с дополнительным набегом фазы φ1. На опорный вход этого смесителя через делитель мощности 20 подается сигнал гетеродинного СВЧ генератора 2, имеющий вид COS(ωLt+λ+β1), где λ - фаза колебаний на выходе гетеродинного генератора, а β1 -набег фазы на делителе мощности и соединительной линии. Разностный сигнал с выхода смесителя 4 усиливается УПЧ 8 опорного канала, характеризующимся широким динамическим диапазоном и малой зависимостью задержки (набега фазы) от величины входного сигнала и подвергается делению частоты в N2 раз соответствующим делителем частоты 12. Сигнал с выхода делителя частоты 12 подается на сигнальный вход фазочастотного дискриминатора 10,The signal from the main output of the microwave signal generator 1, the electrical oscillations of which are described by the COS function (ω M t), through the measuring attenuator 3, which raises the phase α, is fed to the input of the power divider 19. A part of the power is branched to the signal input of the mixer 4 of the reference channel, reaching him with an additional phase incursion φ1. To the reference input of this mixer through a power divider 20, a signal of a heterodyne microwave generator 2 is supplied, having the form COS (ω L t + λ + β1), where λ is the oscillation phase at the output of the heterodyne generator, and β1 is the phase difference on the power divider and connecting line . The difference signal from the output of the mixer 4 is amplified by the amplifier 8 of the reference channel, which is characterized by a wide dynamic range and a small dependence of the delay (phase incursion) on the magnitude of the input signal and is subjected to frequency division by a factor of N2 by the corresponding frequency divider 12. The signal from the output of the frequency divider 12 is fed to the signal input phase discriminator 10,

в виде

Figure 00000002
,as
Figure 00000002
,

где δ описывает фазовый набег на пути от выхода смесителя 4 до входа 10.where δ describes the phase incursion from the output of mixer 4 to input 10.

Петля ФАПЧ по промежуточной частоте замыкается подачей выходного сигнала фазочастотного дискриминатора 10 через фильтр (на схеме не показан для упрощения) на вход гетеродинного генератора 2, управляющий его частотой. На опорный вход фазочастотного дискриминатора 10 подается высокостабильный сигналThe PLL loop at the intermediate frequency is closed by supplying the output signal of the phase-frequency discriminator 10 through a filter (not shown in the diagram for simplicity) to the input of the local oscillator 2, which controls its frequency. At the reference input of the phase-frequency discriminator 10 is a highly stable signal

Figure 00000003
,
Figure 00000003
,

где Ω -промежуточная частота (ПЧ), аwhere Ω is the intermediate frequency (IF), and

γ - произвольная начальная фаза, с одного из выходов устройства синтеза опорных частот 22.γ is an arbitrary initial phase, from one of the outputs of the reference frequency synthesis device 22.

При захвате петли ФАПЧ выполняется условие равенства на входах частотWhen capturing the PLL loop, the equality condition at the frequency inputs

Figure 00000004
Figure 00000004

и фазand phases

Figure 00000005
Figure 00000005

Основная часть СВЧ мощности сигнального генератора 1 через делитель мощности 19 поступает на первое плечо СВЧ циркулятора 6 и далее на измерительный резонатор 7, присоединенный к плечу 2 циркулятора. Отраженный от резонатора 7 сигнал возвращается в плечо 2 циркулятора и далее поступает в его плечо 3, соединенное с сигнальным входом смесителя 5 сигнального канала. Сигнал на этом входе описывается функциейThe main part of the microwave power of the signal generator 1 through the power divider 19 is fed to the first arm of the microwave circulator 6 and then to the measuring resonator 7 connected to the arm 2 of the circulator. The signal reflected from the resonator 7 is returned to the arm 2 of the circulator and then goes to its arm 3, connected to the signal input of the mixer 5 of the signal channel. The signal at this input is described by the function

Г'cos(ωMt+α+φ2)+Г''sin(ωMt+α+φ2),Г'cos (ω M t + α + φ2) + Г''sin (ω M t + α + φ2),

где Г' - вещественная часть комплексного коэффициента отражения резонатора 7, зависящая от сигнала поглощения ЭПР,where G 'is the real part of the complex reflection coefficient of the resonator 7, depending on the absorption signal of the EPR,

Г" - мнимая часть, зависящая от сигнала дисперсии ЭПР и расстройки резонатора относительно частоты падающей волны,G "- the imaginary part, depending on the dispersion signal of the EPR and the detuning of the resonator relative to the frequency of the incident wave,

φ2 - набег фазы СВЧ волны от входа делителя мощности 19 до входа смесителя 5.φ2 is the phase advance of the microwave wave from the input of the power divider 19 to the input of the mixer 5.

С выхода смесителя 5 разностный сигнал поступает на вход УПЧ 9 сигнального канала и далее - на сигнальные входы синхронных детекторов 14 и 15 в видеFrom the output of the mixer 5, the difference signal is fed to the input of the signal converter channel 9 and then to the signal inputs of the synchronous detectors 14 and 15 in the form

Figure 00000006
Figure 00000006

где 77 означает набег фазы от выхода смесителя 5 до входов синхронных детекторов 14 и 15.where 77 means the phase advance from the output of the mixer 5 to the inputs of the synchronous detectors 14 and 15.

В условиях захвата петли ФАПЧ по промежуточной частоте действуют соотношения (1) и (2) для частот и фаз, что приводит к тому, что сигнал (3) приобретает видUnder conditions of capturing the PLL loop at an intermediate frequency, relations (1) and (2) apply for frequencies and phases, which leads to the fact that signal (3) takes the form

Figure 00000007
Figure 00000007

Таким образом, полученный сигнал на промежуточной частоте Ω содержит две квадратурные компоненты, одна из которых пропорциональнаThus, the received signal at the intermediate frequency Ω contains two quadrature components, one of which is proportional

Г', т.е.- сигналу поглощения ЭПР, а вторая Г", т.е. - сигналу дисперсии и расстройки измерительного резонатора.G ', i.e., the EPR absorption signal, and the second Г ", i.e., the dispersion and detuning signal of the measuring resonator.

Высокостабильный опорный сигнал cos(Ωt)с одного из выходов устройства синтеза опорных частот 22 подается на вход фазовращателя 17, дающего фазовый набег в. Сигнал с выхода фазовращателя 17 cos(Ωt+θ) поступает на опорный вход смесителя 14 и на второй фазовращатель 16, поворачивающий фазу на ±π/2. Так, взяв, для определенности, сдвиг -π/2, получим на выходе фазовращателя 16, соединенного с опорным входом смесителя 15, sin(Ωt+θ). В результате смешения и выделения разностной частоты получим на выходе 15A highly stable reference signal cos (Ωt) from one of the outputs of the reference frequency synthesis device 22 is supplied to the input of the phase shifter 17, giving a phase incursion into. The signal from the output of the phase shifter 17 cos (Ωt + θ) is fed to the reference input of the mixer 14 and to the second phase shifter 16, which rotates the phase by ± π / 2. So, taking, for definiteness, a shift of -π / 2, we obtain at the output of the phase shifter 16 connected to the reference input of the mixer 15, sin (Ωt + θ). As a result of mixing and separation of the difference frequency, we get output 15

Figure 00000008
Figure 00000008

и на выходе 14and output 14

Figure 00000009
Figure 00000009

Фазовый угол, входящий в тригонометрические функции (5) и (6), не содержит существенно переменной величины а, зависящей от установки измерительного аттенюатора 3, а определяется только постоянными фазовыми сдвигами в различных цепях устройства. Таким образом, задав сдвиг фазы в фазовращателя 17 так, чтобы фазовый угол (γ-δ)N2-β1+φ1+β2-β2+η-θ был равен π/2 или 3π/2, получаем на выходе 15 чистый сигнал поглощения, а на выходе 14 - сигнал, пропорциональный дисперсии и расстройке измерительного резонатора независимо от частоты измерительного генератора 1, его расстройки относительно резонансной частоты измерительного резонатора 7 и уровня мощности. Опорным сигналом для работы устройства синтеза опорных частот 22 является выходной сигнал высокостабильного опорного генератора 23 на удобной для работы 22 частоте.The phase angle included in the trigonometric functions (5) and (6) does not contain a substantially variable quantity a, depending on the installation of the measuring attenuator 3, but is determined only by constant phase shifts in various circuits of the device. Thus, setting the phase shift in the phase shifter 17 so that the phase angle (γ-δ) N2-β1 + φ1 + β2-β2 + η-θ is equal to π / 2 or 3π / 2, we obtain at the output 15 a pure absorption signal, and at output 14, a signal proportional to the dispersion and detuning of the measuring resonator, regardless of the frequency of the measuring generator 1, its detuning relative to the resonant frequency of the measuring resonator 7 and the power level. The reference signal for the operation of the synthesis device of the reference frequencies 22 is the output signal of a highly stable reference generator 23 at a frequency convenient for operation 22.

В устройстве предусмотрены три режима стабилизации частоты измерительного генератора 1 и резонансной частоты измерительного резонатора 7. Для абсолютной стабилизации (стабилизации по высокостабильному эталону) частоты сигнального генератора используется вспомогательный выход частоты сигнального генератора 1. В случае его отсутствия он без труда может быть создан путем включения направленного ответвителя на основной (единственный) выход генератора. Сигнал СВЧ со вспомогательного выхода подвергается делению делителем частоты 13 в N1 раз до частоты, удобной для сравнения на фазочастотном дискриминаторе 11 и поступает на его сигнальный вход в виде

Figure 00000010
. На опорный вход этого дискриминатора подается высокостабильный сигнал с одного из выходов устройства синтеза опорных частот 22 вида
Figure 00000011
, где ωM0- номинальная частота измерительного генератора. В положении «1» переключателя рода работ 21 петля ФАПЧ по частоте сигнального генератора замыкается путем подачи сигнала отработки с выхода 11 через соответствующий фильтр (для простоты не показан) на электрод, управляющий частотой 1. Частота сигнального генератора 1 стабилизируется на значении ωM0, что позволяет провести подстройку резонансной частотыThe device has three modes for stabilizing the frequency of the measuring generator 1 and the resonant frequency of the measuring resonator 7. For absolute stabilization (stabilization by a highly stable standard) of the frequency of the signal generator, the auxiliary frequency output of the signal generator 1 is used. If it is absent, it can be easily created by turning on the directional coupler to the main (single) output of the generator. The microwave signal from the auxiliary output is subjected to division by a frequency divider 13 N1 times to a frequency convenient for comparison on a phase-frequency discriminator 11 and fed to its signal input in the form
Figure 00000010
. A highly stable signal is supplied to the reference input of this discriminator from one of the outputs of the reference frequency synthesis device 22
Figure 00000011
where ω M0 is the rated frequency of the measuring generator. In position “1” of the type of work switch 21, the PLL loop in the frequency of the signal generator is closed by supplying a working signal from output 11 through an appropriate filter (not shown for simplicity) to the electrode controlling frequency 1. The frequency of signal generator 1 is stabilized at ω M0 , which allows tuning the resonant frequency

измерительного резонатора 7 до совпадения с ωM0. В положении «2» переключателя рода работ 21 сигнал с выхода синхронного детектора 14 в соответствующей фазе подается на элемент перестройки резонансной частоты 18 измерительного резонатора 7 для автоматической подстройки его резонансной частоты под стабилизированный сигнальный генератор 1. Наконец, в третьем положении 21 сигнал с выхода синхронного детектора 14 используется для подстройки частоты генерации 1 под мгновенное значение резонансной частоты измерительного резонатора 7, для чего он в соответствующей фазе подается на управляющий частотой электрод 1.measuring resonator 7 to coincide with ω M0 . In position “2” of the type of work switch 21, the signal from the output of the synchronous detector 14 in the corresponding phase is fed to the tuning element of the resonant frequency 18 of the measuring resonator 7 to automatically adjust its resonant frequency to the stabilized signal generator 1. Finally, in the third position 21, the signal from the synchronous output detector 14 is used to adjust the generation frequency 1 to the instantaneous value of the resonant frequency of the measuring resonator 7, for which it is supplied to the control phase in the corresponding phase pilots at one electrode.

Таким образом, функционирование спектрометра, в том числе, выделение чистых сигналов поглощения и дисперсии обеспечивается при использовании стандартной, коммерчески доступной элементной базы (делители частоты, синтезаторы частоты с фазочастотными дискриминаторами), что обеспечивает уменьшение габаритов, потребляемой мощности и цены устройства, повышает его технологичность и надежность, уменьшает фазовый шум.Thus, the operation of the spectrometer, including the isolation of pure absorption and dispersion signals, is ensured by using a standard, commercially available element base (frequency dividers, frequency synthesizers with phase-frequency discriminators), which reduces the dimensions, power consumption and price of the device, increases its manufacturability and reliability, reduces phase noise.

Claims (1)

Когерентный супергетеродинный спектрометр электронного парамагнитного резонанса, включающий сигнальный и гетеродинный генераторы СВЧ, два делителя мощности СВЧ, смесители опорного и сигнального каналов, циркулятор с измерительным резонатором и элементом перестройки резонансной частоты измерительного резонатора, измерительный аттенюатор, усилители промежуточной частоты (УПЧ) опорного и сигнального каналов, два фазочастотных дискриминатора с фильтрами на выходах, два синхронных детектора, два фазовращателя ПЧ, опорный генератор и переключатель режимов работ, причем выход измерительного аттенюатора соединен со входом первого делителя мощности СВЧ, один из выходов которого соединен с первым плечом циркулятора, а второй - с сигнальным входом смесителя опорного канала, выход гетеродинного генератора соединен со входом второго делителя мощности, один из выходов которого соединен с гетеродинным входом смесителя опорного канала, а второй - с гетеродинным входом смесителя сигнального канала, второе плечо циркулятора соединено с измерительным резонатором, снабженным элементом перестройки его резонансной частоты, третье плечо циркулятора соединено со входом смесителя сигнального канала, а его выход - со входом УПЧ сигнального канала, выход которого соединен с сигнальными входами первого и второго синхронных детекторов, выход первого фазовращателя соединен с опорным входом одного из синхронных детекторов и со входом второго фазовращателя, выход которого соединен с опорным входом второго синхронного детектора, выход второго фазочастотного дискриминатора соединен с управляющим электродом гетеродинного генератора, а переключатель режимов работы выполнен трехпозиционным, в первом и втором положениях обеспечивающим соединение управляющего частотой электрода сигнального генератора с выходом первого фазочастотного дискриминатора, а в третьем - с выходом первого синхронного детектора, во втором положении обеспечивающим дополнительное соединение выхода первого синхронного детектора с элементом перестройки резонансной частоты измерительного резонатора, а УПЧ опорного канала выполнен в виде нормирующего усилителя формирователя напряжения, при этом первый и второй фазовращатели ПЧ выполнены с фиксированным фазовым сдвигом, и фазовый сдвиг второго составляет ±p/2, отличающийся тем, что он дополнительно содержит два делителя частоты, устройство синтеза опорных частот, а сигнальный генератор оснащен дополнительным выходом, причем выход опорного генератора соединен со входом устройства синтеза опорных частот, один из выходов которого соединен с опорным входом первого фазочастотного дискриминатора, второй - с опорным входом второго фазочастотного дискриминатора, а третий - со входом первого фазовращателя, а вспомогательный выход сигнального генератора через первый делитель частоты соединен с сигнальным входом первого фазочастотного дискриминатора, вход второго делителя частоты соединен с выходом УПЧ опорного канала, а его выход - с опорным входом второго фазочастотного дискриминатора.
Figure 00000001
Coherent superheterodyne electron paramagnetic resonance spectrometer, including microwave signal and heterodyne generators, two microwave power dividers, reference and signal channel mixers, a circulator with a measuring resonator and an element for tuning the resonant frequency of the measuring resonator, a measuring attenuator, intermediate frequency amplifiers (IF) of the reference and signal channels , two phase-frequency discriminators with filters at the outputs, two synchronous detectors, two IF phase shifters, a reference oscillator, and an operating mode switch, the output of the measuring attenuator connected to the input of the first microwave power divider, one of the outputs of which is connected to the first arm of the circulator, and the second to the signal input of the reference channel mixer, the output of the local oscillator is connected to the input of the second power divider, one of the outputs of which connected to the heterodyne input of the mixer of the reference channel, and the second to the heterodyne input of the mixer of the signal channel, the second arm of the circulator is connected to a measuring resonator equipped with an electric by tuning its resonant frequency, the third arm of the circulator is connected to the input of the signal channel mixer, and its output is connected to the input of the IF signal channel, the output of which is connected to the signal inputs of the first and second synchronous detectors, the output of the first phase shifter is connected to the reference input of one of the synchronous detectors and with the input of the second phase shifter, the output of which is connected to the reference input of the second synchronous detector, the output of the second phase-frequency discriminator is connected to the control electrode heterodyne about the generator, and the operating mode switch is made three-position, in the first and second positions providing the connection of the frequency control electrode of the signal generator with the output of the first phase-frequency discriminator, and in the third - with the output of the first synchronous detector, in the second position providing an additional connection of the output of the first synchronous detector with the element tuning of the resonant frequency of the measuring resonator, and the amplifier of the reference channel is made in the form of a normalizing amplifier of the driver in this case, the first and second IF phase shifters are made with a fixed phase shift, and the phase shift of the second is ± p / 2, characterized in that it additionally contains two frequency dividers, a reference frequency synthesis device, and the signal generator is equipped with an additional output, and the output the reference generator is connected to the input of the reference frequency synthesis device, one of the outputs of which is connected to the reference input of the first phase-frequency discriminator, the second to the reference input of the second phase-frequency discriminator, and s - to the input of the first phase shifter and the auxiliary oscillator output signal through a first frequency divider connected to the signal input of the first phase-frequency discriminator, the input of the second frequency divider connected to the output IF reference channel and its output - to the reference input of the second phase-frequency discriminator.
Figure 00000001
RU2013116612/28U 2013-04-11 2013-04-11 Coherent superheterodyne spectrometer of electron paramagnetic resonance RU136578U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013116612/28U RU136578U1 (en) 2013-04-11 2013-04-11 Coherent superheterodyne spectrometer of electron paramagnetic resonance

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013116612/28U RU136578U1 (en) 2013-04-11 2013-04-11 Coherent superheterodyne spectrometer of electron paramagnetic resonance

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU136578U1 true RU136578U1 (en) 2014-01-10

Family

ID=49885826

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013116612/28U RU136578U1 (en) 2013-04-11 2013-04-11 Coherent superheterodyne spectrometer of electron paramagnetic resonance

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU136578U1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2579766C1 (en) * 2014-11-25 2016-04-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" Coherent superheterodyne electron paramagnetic resonance spectrometer
RU2756168C1 (en) * 2020-12-29 2021-09-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Новосибирский институт органической химии им. Н.Н. Ворожцова Сибирского отделения Российской академии наук (НИОХ СО РАН) Bridge of x - and q - band pulsed epr spectrometer based on digital microwave synthesizer and semiconductor power amplifier

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2579766C1 (en) * 2014-11-25 2016-04-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" Coherent superheterodyne electron paramagnetic resonance spectrometer
EA028361B1 (en) * 2014-11-25 2017-11-30 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" Coherent superheterodyne electron paramagnetic resonance spectrometer
RU2756168C1 (en) * 2020-12-29 2021-09-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Новосибирский институт органической химии им. Н.Н. Ворожцова Сибирского отделения Российской академии наук (НИОХ СО РАН) Bridge of x - and q - band pulsed epr spectrometer based on digital microwave synthesizer and semiconductor power amplifier

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105187059B (en) A kind of broadband Low phase noise local frequency combiner circuit and method
JP3030598B2 (en) Jitter detector
US8258877B2 (en) Feed-back and feed-forward systems and methods to reduce oscillator phase-noise
Chambon et al. Design and realization of a flywheel oscillator for advanced time and frequency metrology
CN103684611B (en) The millimeter wave of a kind of phase stabilization generates system
CN108768539B (en) Photon type microwave frequency-halving method and photon type microwave frequency-halving device
CN106067815B (en) Frequency synthesizer based on DDS and fractional frequency division phase-locked loop
François et al. Simple-design ultra-low phase noise microwave frequency synthesizers for high-performing Cs and Rb vapor-cell atomic clocks
JP2004522145A (en) Method and apparatus for frequency synthesis in rangefinder and rangefinder
Francois et al. A low phase noise microwave frequency synthesis for a high-performance cesium vapor cell atomic clock
RU136578U1 (en) Coherent superheterodyne spectrometer of electron paramagnetic resonance
RU2548293C2 (en) Coherent superheterodyne electron paramagnetic resonance spectrometer
CN114371582A (en) Optical phase-locked loop device
Fancher et al. A self-locking Rydberg atom electric field sensor
US6519305B1 (en) Frequency converter arrangement
De Sousa et al. A reconfigurable high-frequency phase-locked loop
CN110061406B (en) Photon type microwave frequency divider with multiple frequency division modes and frequency division method thereof
RU2554551C2 (en) Method for flexible broadband frequency conversion and corresponding satellite remote control receiver
RU2569485C2 (en) Coherent superheterodyne electron paramagnetic resonance spectrometer
KR101298621B1 (en) Fmcw synthesizer and control method thereof
RU2579766C1 (en) Coherent superheterodyne electron paramagnetic resonance spectrometer
JPS5994076A (en) Spectrum analyser
US2632865A (en) Circular sweep circuit
Khudchenko et al. Cryogenic phase detector for superconducting integrated receiver
RU152736U1 (en) Coherent superheterodyne spectrometer of electron paramagnetic resonance

Legal Events

Date Code Title Description
MG1K Anticipatory lapse of a utility model patent in case of granting an identical utility model

Ref document number: 2013116713

Country of ref document: RU

Effective date: 20150420