RU50001U1 - Устройство для измерения сигнала, отраженного от входа свч антенны - Google Patents

Abstract

Устройство для измерения сигнала, отраженного от входа СВЧ антенны относится к области радиоизмерительной техники может использоваться для контроля параметров антенны в процессе работы радиопередатчика, для измерения модуля и фазы коэффициента отражения и коэффициента стоячей волны в радиочастотном тракте, когда необходимо обеспечить высокий уровень развязки между измерительными и сигнальными цепями из-за наличия наводок от мощных источников электромагнитного излучения, сильных электрических и магнитных полей, например, при измерениях уровня отраженного сигнала в радио голографических методах контроля вибраций лопаток колес паровых, газовых или водяных турбин на электростанциях. Устройство содержит измерительную микрополосковую линию, выполненную в виде трех последовательно включенных секций, каждая из которых представляет собой электрооптический датчик эффективного напряжения в радиочастотном тракте, и электронную часть, в которой путем комбинации выходных сигналов с фотодетекторов датчиков, формируются сигналы пропорциональные фазе и модулю коэффициента отражения СВЧ сигнала от входа антенны. Устройство поясняется схемой. СВЧ генератор 6 через измерительную линию 5, вдоль которой расположены датчики 2-4, электрически связан с входом контролируемой антенны 7. Источник когерентного света с оптическим делителем на три луча равной интенсивности 1 оптически связан с входами датчиков 2-4. В каждом из датчиков 2-4 коллиматор 17, являющийся входом датчика, оптически связан с первыми концами оптических волокон 21 через поляризатор 18, фазовую ячейку 19 и анализатор 20. Вторые концы оптических волокон 21 оптически связаны с фото детекторами 22. Фото детекторы 22 двух первых датчиков через

усилители 8 и 9 электрически связаны со входами первого сумматора 11 и делителя напряжения 13. Фотодетектор 22 третьего датчика через усилитель 10 связан со входом второго сумматора 12, второй инвертирующий вход которого связан с выходом усилителя второго датчика 9. Выходы сумматоров 11 и 12, а также делителя 13 подключены ко входам решающего устройства 14, выходы которого связаны с индикаторами фазы 15 и модуля коэффициента отражения 16, соответственно. В заявляемом устройстве упрощение реализации достигается за счет использования одинакового диэлектрика в подложках микрополосковой измерительной линии во всех датчиках, а увеличение развязки электронной измерительной части измерительного устройства от внешних электромагнитных наводок достигается за счет введения в электрооптические датчики оптических волокон, позволяющих увеличить расстояния между электронной частью и измерительной линией.

Description

Заявляемое на полезную модель устройство относится к области радиоизмерительной техники может использоваться для контроля параметров антенны в процессе работы радиопередатчика, для измерения модуля и фазы коэффициента отражения и коэффициента стоячей волны в радиочастотном тракте, когда необходимо обеспечить высокий уровень развязки между измерительными и сигнальными цепями в условиях наводок из-за сильных электрических и магнитных полей, например, при измерениях уровня отраженного сигнала в радио голографических методах контроля вибраций лопаток колес паровых, газовых или водяных турбин на электростанциях.

Известны устройства, в которых для измерения коэффициента отражения сигнала от входа СВЧ элемента используется электрооптический эффект Поккельса. Такое устройство описано, например в авторском свидетельстве (SU) №1741034, Кл. G 01 R 27/06. В этом устройстве отрезок измерительной микрополосковой линии передачи, выполненной на диэлектрике, обладающим поперечным электрооптическим эффектом, позволяет получить информацию об уровне стоячей волны в СВЧ тракте по глубине модуляции света, что в свою очередь позволяет развязать СВЧ тракт и измерительную схему. Однако, недостатком этого устройства является то, хотя информация об уровне стоячей волны заключены в структуре светового сигнала, электронная измерительная часть устройства должна находиться вблизи измерительной линии передачи и, следовательно, подвержена наводкам от электромагнитных полей. Это особенно важно при измерениях радиочастотными методами вибраций лопаток колес паровых, газовых или водяных турбин на электростанциях, где уровни наводок очень велики.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является устройство для измерения параметров сигнала, отраженного от входа СВЧ антенны, предложенное в авторском свидетельстве (SU) №1737361, Кл. G 01 R 27/06. Это устройство содержит микрополосковую измерительную линию на основе подложки из материала с электрооптическим эффектом, снабженную тремя датчиками, СВЧ генератор, соединенный с входом измерительной линии, и исследуемый СВЧ элемент, подключенный к выходу измерительной линии, причем все датчики содержат оптически связанные коллиматор, оптический вход которого является входом датчика, оптический поляризатор, фазовую ячейку, образованную электродами и диэлектриком подложки измерительной линии, оптический анализатор, плоскость поляризации которого перпендикулярна плоскости поляризации оптического поляризатора и фотодетектор, выход которого является выходом датчика, вход каждого из трех датчиков оптически связан с источником когерентного света (лазером) с оптическим делителем светового луча на три луча равной интенсивности. Измерительная линия выполнена трех секционной с различным диэлектриком секций: первая и вторая секции линии выполнены из электрооптического материала, обладающего линейным электрооптическим эффектом, а третья секция - квадратичным, причем каждая из секций является фазовой ячейкой соответствующего по номеру датчика, поперечное сечение каждой из секций перпендикулярно оптической оси датчика, а электрические длины секций на частоте СВЧ сигнала составляют 90, 180 и более 360 градусов, выход первого датчика через первый усилитель подключен к первым входам первого сумматора и первого делителя напряжения, выход второго датчика через второй усилитель связан со вторыми входами первого сумматора и первого делителя напряжения, выход первого сумматора подключен к инвертирующему входу второго сумматора и первому входу второго делителя напряжения, ко второму входу второго сумматора через третий усилитель подключен выход третьего

датчика, второй вход второго делителя напряжения соединен с выходом второго сумматора, к выходу первого делителя напряжения подключен индикатор фазы, а к выходу второго делителя напряжения подключен индикатор модуля коэффициента отражения.

Однако конструктивная реализация этого устройства затруднена из-за необходимости использования различных материалов в измерительных секциях: в известном устройстве две первых секции измерительной линии выполнены на диэлектрической подложке, обладающей линейным электрооптическим эффектом, а третья секция содержит диэлектрик с квадратичным электрооптическим эффектом. Это затрудняет реализацию устройства, кроме того наибольший квадратичный электрооптический эффект обнаруживают кристаллы перовскитов группы KTN, у которых точка Кюри лежит в области комнатных температур, что приводит к температурной нестабильности измерителя. Кроме того, измерительная часть схемы, включающая фотодетекторы, усилители, сумматоры и делители является слаботочной и расположена вблизи измерительного тракта, что делает ее слабо защищенной от внешних электромагнитных наводок при сильных электрических полях уровня напряженностью 5-10 мВ/м, которые присутствуют вблизи мощных радиопередатчиков и на электростанциях.

Таким образом для успешного использования устройства необходимо реализовать все три фазовых ячейки секций измерительной линии на диэлектрике с линейным электрооптическим эффектом, увеличить развязку электронной измерительной части от внешних электромагнитных наводок за счет увеличения расстояния между электронной частью и измерительной линией. Достигаемый этим технический эффект заключается в удобстве выполнения всех трех секций измерительной линии на одной диэлектрической подложке, обладающей линейным электрооптическим эффектом, например LiNbO₃, повышении термостабильности, так как не используются кристаллы перовскитов группы KTN, у которых точка Кюри

лежит в области комнатных температур, уменьшаются наводки на электронную часть измерителя.

Поставленная задача решается в заявляемой полезной модели за счет того, что она, как и известное устройство, содержит источник когерентного света (лазер) с оптическим делителем светового луча на три луча равной интенсивности, микрополосковую измерительную линию на основе подложки из материала с электрооптическим эффектом, снабженную тремя датчиками, причем все датчики содержат оптически связанные коллиматор, оптический поляризатор, фазовую ячейку, образованную электродами и диэлектриком подложки измерительной линии, обладающим электрооптическим эффектом, оптический анализатор, плоскость поляризации которого перпендикулярна плоскости поляризации оптического поляризатора и фотодетектор, усилители, число которых равно числу датчиков, два сумматора, делитель напряжения, индикатор фазы и модуля коэффициента отражения.

Но в отличие от известного устройства, фазовые ячейки всех трех датчиков выполнены на одном и том же материале, обладающим линейным электрооптическим эффектом, кроме того предлагаемое устройство для измерения сигнала, отраженного от входа СВЧ антенны, содержит оптические волокна, число которых равно числу датчиков и которые включены между оптическими анализаторами и фотодетекторами.

Выполнение всех трех секций измерительной линии на одном диэлектрическом материале упрощает конструктивную реализацию устройства. Оптические волокна позволяют максимально возможно удалить электронную измерительную часть устройства для измерения сигнала, отраженного от входа СВЧ антенны от измерительных секций и тем самым минимизировать наводки электромагнитного поля на фотодетекторы. Эти наводки наиболее сильны в месте размещения измерительных секций линии.

Максимальная длина оптических волокон определяется длиной когерентности лазерного излучения.

Полезная модель поясняется чертежом, на котором представлена функциональная схема устройства для измерения сигнала, отраженного от входа СВЧ антенны, являющаяся примером выполнения устройства.

Предлагаемое устройство содержит источник когерентного света 1 (лазер) с оптическим делителем светового луча на три луча равной интенсивности, первый, второй и третий электрооптические датчики 2-4, измерительную линию 5, СВЧ генератор 6, контролируемую антенну 7, три усилителя 8-10, первый и второй сумматоры 11 и 12, делитель напряжения 13, решающее устройство 14, индикатор фазы 15 и индикатор модуля коэффициента отражения 16. Электрооптические датчики 2-4 содержат коллиматор 17, вход которого является входом датчика, оптический поляризатор 18, фазовую ячейку 19 и оптический анализатор 20, плоскость поляризации которого перпендикулярна плоскости поляризации оптического поляризатора 18, оптическое волокно 21 и фотодетектор 22, выход которого является выходом датчика.

Фазовые ячейки 19 во всех трех датчиках 2-4 представляют собой отрезки микрополосковой линии передачи, выполненных на подложке из материала, обладающего линейным электрооптическим эффектом, например LiNbО₃. Последовательное соединение фазовых ячеек 19 образует измерительную микрополосковую линию 5.

СВЧ генератор 6 через измерительную линию 5, вдоль которой расположены датчики 2-4, электрически связан с входом контролируемой антенны 7. Источник когерентного света с оптическим делителем на три луча равной интенсивности 1 оптически связан с входами датчиков 2-4. В каждом из датчиков 2-4 коллиматор 17, являющийся входом датчика, оптически связан с первыми концами оптических волокон 21 через поляризатор 18, фазовую ячейку 19 и анализатор 20. Вторые концы оптических волокон 21

оптически связаны с фотодетекторами 22. Фотодетекторы 22 двух первых датчиков через усилители 8 и 9 электрически связаны со входами первого сумматора 11 и делителя напряжения 13. Фотодетектор 22 третьего датчика через усилитель 10 связан со входом второго сумматора 12, второй инвертирующий вход которого связан с выходом усилителя второго датчика 9. Выходы сумматоров 11 и 12, а также делителя 13 подключены ко входам решающего устройства 14, выходы которого связаны с индикаторами фазы 15 и модуля коэффициента отражения 16, соответственно.

Решающее устройство 14 может быть выполнено как в аналоговом, так и цифровом виде. В последнем случае предполагается наличие в устройстве на выходе фотодетекторов 22 аналого-цифровых преобразователей, преобразующих сигнал в цифровую форму

Электрооптические датчики 2-4, служат для получения оптических сигналов, интенсивность которых пропорциональна эффективному напряжению СВЧ сигнала на электродах фазовых ячеек датчиков 19, а оптические волокна 21 - для передачи этих сигналов на фотодетекторы 22, которые вырабатывают электрические сигналы пропорциональные эффективному напряжению на электродах ячейки 19.

Устройство для измерения сигнала, отраженного от входа СВЧ антенны работает следующим образом. После включения СВЧ генератора 6 вследствие частичного отражения сигнала от входа СВЧ антенны 7 в секциях измерительной линии 5 устанавливается режим смешанных волн. Это частичное отражение сигнала от входа антенны 7 может происходить из-за некачественного выполнения антенны, либо появления в зоне ближнего поля антенны каких либо возмущений, например, движения металлических лопаток паровой турбины.

Три луча света равной интенсивности, генерируемых лазером 1 поступают на оптические входы первого и второго датчиков 2-3, где после прохождения коллиматора 17 и оптического поляризатора 18 линейно

поляризованный когерентный луч света поступает в фазовую ячейку 19, являющуюся секцией измерительной линии 5. Луч света в фазовой ячейке распространяется в направлении параллельном направлению распространения СВЧ сигнала.

Диэлектрические подложки фазовых ячеек 19 в первом, втором и третьем датчиках 2-4, представляющих собой три секции измерительной линии 5, выполнены из кристаллов, обладающих линейным электрооптическим эффектом. После их прохождения светом в результате взаимодействия света с СВЧ сигналом поляризация света станет эллиптической, причем эллипс поляризации светового луча будет зависеть от эффективного напряжения СВЧ сигнала вдоль кристалла U_эфф. Анализатор 20 выделяет вторую из ортогональных составляющих поляризации света. Поскольку постоянные напряжения на электродах фазовых ячеек 19 всех датчиков отсутствуют, то изменение интенсивности света на выходе анализатора 20 во всех трех датчиках будет прямо пропорционально квадрату эффективного (среднего) напряжения за время прохождения светом электрооптического кристалла на электродах микрополосковой измерительной линии, образующей фазовую ячейку 19. Эти составляющие линейно поляризованного света через оптические волокна 21 поступают на фотодетекторы 22, так что электрические сигналы на выходах фотодетекторов 22 будут также пропорциональны квадрату эффективного (среднего) напряжения за время прохождения светом фазовой ячейки U_эфф.

Можно показать (Гагиев Н.Г., Головков А.А, О предельной глубине модуляции света в электрооптических модуляторах СВЧ. Радиотехника и Электроника, т.ХХУ1, №10, 1981), что при согласном направлении распространения света и сигнала вдоль электродов фазовой ячейки с линейным поперечным электрооптическим эффектом, эффективное напряжение, определяющее эксцентриситет эллипса поляризации света на выходе фазовой ячейки, определяется выражением:

Где Δθ - электрическая длина фазовой ячейки на частоте сигнала, U_m - амплитуда напряжения сигнала в измерительной линии 5, θ_b, θ_е - электрические координаты начала и конца фазовой ячейки на частоте радиосигнала, ρ и φ - модуль и фаза коэффициента отражения на входном разъеме антенны, - коэффициент учитывающий разность скоростей света и сигнала в диэлектрике фазовой ячейки, ε - диэлектрическая проницаемость материала подложки фазовой ячейки, n - коэффициент преломления света в этом материале. Для упрощения выкладок примем , что можно достигнуть выбором конструктивных параметров микрополосковой линии, образующей фазовую ячейку.

Электрическая длина фазовой ячейки 19 в первой секции на частоте радиосигнала равна . Для первой секции примем θ_b=0, θ_е=π/2. Поэтому сигнал с выхода фотодетектора 22 первого датчика 2 будет пропорционален квадрату эффективного напряжения в ней и составит:

Электрическая длина фазовой ячейки 19 второго датчика 3 выбирается равной . В этом случае для второй секции, включенной последовательно с первой, получаем θ_b=π/2, θ_e=3π/2, поэтому сигнал с выхода фотодетектора 22 второго датчика 3 будет пропорционален

Электрическая длина секции третьего датчика 4 также выбирается равной . Интенсивность света с выхода анализатора 20 третьего датчика, а значит и сигнал с выхода фотодетектора 22 третьего датчика 4

будет также пропорционален квадрату эффективного напряжения в этой измерительной секции и с учетом того, что для этой секции θ_b=3π/2, θ_е=2π будет равен:

Усилители 8, 9 и 10 имеют коэффициенты усиления 1, 4 и 1, соответственно.

На выходе первого сумматора 11 формируется сигнал пропорциональный , а сигнал на выходе второго сумматора 12 с одним инвертирующим входом будет пропорционален .

На выходе делителя 13, на входы которого поступают сигналы U₁ и U₂, получается сигнал, пропорциональный тангенсу фазового угла коэффициента отражения сигнала от входного разъема антенны tg²φ, который поступает на решающее устройство 14 и далее на индикатор фазы 115.

Сигнал с выхода первого сумматора 11 будет равен .

Сигнал с выхода второго сумматора 12 будет . Эти сигналы поступают на входы решающего устройства 14, на который также поступает сигнал с выхода делителя 13, пропорциональный тангенсу фазового угла коэффициента отражения сигнала от входного разъема антенны tg²φ. Эти три сигнала представляют собой систему нелинейных уравнений относительно неизвестных tg²φ и U_m. Решающее устройство на основании этих трех сигналов определяет значения неизвестных квадрата модуля коэффициента отражения сигнала от входного разъема антенны и квадрата амплитуды сигнала в измерительной линии U_m. Сигнал пропорциональный поступает на индикатор модуля коэффициента отражения 16.

Согласное направление распространения СВЧ сигнала в секциях измерительной линии 5 и световых лучей от лазера 1 в диэлектрических

подложках измерительной линии во много раз по сравнению с известными устройствами, где эти направления ортогональны, увеличивают геометрическую длину области взаимодействия светового луча и СВЧ сигнала в измерительной линии. Это повышает чувствительность устройства, ибо даже при малой мощности СВЧ сигнала в антенном тракте эксцентриситет эллипса поляризации света за счет взаимодействия света с сигналом при прохождении секций измерительной линии будет заметным и сигнала на выходах фотодетекторов будет значительным.

Оптические волокна 21 позволяют отнести чувствительную к наводкам измерительную электронную часть устройства (фотодетекторы 22, усилители 8, 9 и 10, сумматоры 11 и 12, делитель 13, решающее устройство 14, индикаторы фазы 15 и модуля коэффициента отражения 16) из зоны сильных электромагнитных наводок и тем самым повысить точность измерения φ и ρ.

Claims (1)

1. Устройство для измерения сигнала, отраженного от входа СВЧ антенны, содержащее СВЧ генератор, подключенный ко входу микрополосковой измерительной линии, снабженной тремя датчиками, оптические входы которых связаны с источником когерентного света (лазером) с оптическим делителем светового луча на три луча равной интенсивности, причем каждый из датчиков содержит оптически связанные коллиматор, оптический поляризатор, оптическую фазовую ячейку, образованную электродами микрополосковой измерительной линии и диэлектриком ее подложки, обладающим электрооптическим эффектом, оптический анализатор, плоскость поляризации которого перпендикулярна плоскости поляризации оптического поляризатора, а также фотодетектор, при этом поперечное сечение фазовой ячейки каждого из датчиков перпендикулярно его оптической оси, электрические длины фазовых ячеек первого и второго датчиков на частоте СВЧ сигнала составляют соответственно 90 и 180 электрических градусов, выход первого фотодетектора через первый усилитель подключен к первым входам первого сумматора и делителя напряжения, выход второго фотодетектора через второй усилитель подключен ко вторым входам первого сумматора и делителя напряжения, к первому входу второго сумматора через третий усилитель подключен выход третьего фотодетектора, отличающееся тем, что диэлектрик фазовых ячеек всех трех датчиков обладает линейным электрооптическим эффектом, а электрическая длина фазовой ячейки третьего датчика составляет 90 электрических градусов на частоте СВЧ сигнала, между оптическими анализаторами и фотодетекторами всех датчиков введены оптические волокна, выход второго усилителя подключен к инвертирующему входу второго сумматора, а выходы первого, второго сумматоров и делителя напряжения подключены ко входам решающего устройства, к выходам которого подключены индикатор фазы и модуля коэффициента отражения.