63927 (Устройства генерирования и канализации субмиллиметровых волн), страница 5

Рис. 5.1 Объемные резонаторы: круглого сечения (а); прямоугольного сечения (б); коаксиальный (в); 1 - резонансный объем; 2 - подвижный поршень; 3 – элемент связи

Точность волномеров может быть повышена, если отсчет длины волны осуществляется не по двум соседним резонансам, а через несколько полуволн. Обычно погрешность измерений лежит в пределах 0,5 - 0,1 %.

Погрешность волномеров в основном определяется технологическими допусками на изготовление камеры резонатора, температурной зависимостью размеров камеры, ошибками при настройке в резонанс, а также погрешностью отсчетной и микрометрической систем.

5.1.2 Резонансные волномеры с плоскими оптическими зеркалами

При конструировании волномеров на базе открытого резонатора с плоскими зеркалами любого вида приходится выбирать его размеры исходя из необходимой разрешающей способности по частоте, связанной в свою очередь с заданной точностью измерений при минимальном числе ложных резонансов. Обычно разрешающаяся способность по частоте минимум в 2 - 3 раза выше абсолютного значения ошибки измерения частоты колебаний.

Элементами связи в волномерах с открытыми резонаторами могут быть открытый конец волновода, щель на конце или в стенке волновода, круглое отверстие и т. д. В большинстве волномеров применяют круглые зеркала, а элемент связи располагают в центре. Чистота обработки поверхности зеркал не ниже 10—12 класса. Обычно зеркала изготовляют из латуни, а на рабочую поверхность после окончательной полировки наносят слой серебра или золота путем вакуумного распыления. В этом случае не требуется дополнительная полировка. После гальванического покрытия рабочую поверхность приходится вновь полировать, что весьма нежелательно. В состав волномера входит юстировочное устройство, позволяющее установить параллельность зеркал с ошибкой не более нескольких угловых секунд. При их перекосе на несколько угловых минут добротность резонатора ухудшается в десятки раз.

В субмиллиметровом диапазоне особое внимание приходится уделять повышению плавности перемещения зеркал и точности отсчета линейных перемещений. Допустимая ошибка не должна превышать для волномеров средней точности в зависимости от рабочего участка 1 - 5 мкм. Благодаря этому плавность хода существенно увеличилась, а плотность настройки уменьшилась. Погрешность измерений таким волномером ±0,3% и определяется в основном погрешностью механизма перемещения зеркала. Добротность резонатора достигает 30 000.

Чтобы резко уменьшить потери на излучение и сократить число возможных видов колебаний, в резонатор вводят круглый диэлектрический волновод с малыми потерями. Диаметр его выбирается таким, чтобы основная доля энергии распространялась над поверхностью диэлектрического стержня, что соответствует слабозамедленной волне.

5.1.3 Резонансные волномеры с выпуклыми зеркалами

На рис. 5.2 изображены три наиболее распространенные в измерительной технике схемы открытых резонаторов со сферическим профилем зеркал. Проходная и реактивная схемы резонаторов (рис. 5.2, а, б) различаются только способом вывода энергии из резонатора. В первом случае при наступлении резонанса сигнал на выходе достигает максимальной величины, во втором - при резонансе регистрируется резкое уменьшение коэффициента отражения от элемента связи в раскрыве активного зеркала.

Вследствие фокусирующего действия зеркал резонансная длина волны колебаний между зеркалами отличается от длины волны колебаний в свободном пространстве . Волномеры, в которых использованы открытые резонаторы со сферическими зеркалами, показывают завышенное значение длины волны. В рабочем интервале перемещений зеркал оно не превышает 10-3 и для волномеров средней точности, имеющих суммарную погрешность (2- 5) • 10-3, может не учитываться, так как ошибка имеет систематический характер. Однако ее всегда можно исключить

Рис. 5.2 Схемы открытых резонаторов со сферическими зеркалами:

а — проходная схема с двумя сферическими зеркалами; б — «реактивная» схема с двумя сферическими зеркалами; в —«реактивная» схема с плоским и сферическим зеркалами.

Существуют конструкции волномеров средней точности с двумя или одним сферическим зеркалом, которые благодаря наличию встроенного проходного детектора удобно использовать для анализа частотных характеристик генераторов в диапазоне длин волн от 2,5 до 0,4 мм.

Исследования показали, что наиболее удобным элементарным возбудителем для резонаторов со сферическими зеркалами является щелевой возбудитель, образованный плавным сужением волновода, рассчитанного на волну Н01, в щель по широкой стенке.

Особое внимание при конструировании волномеров субмиллиметрового диапазона уделяется выбору размеров резонатора и элементов связи, при которых резонатор имеет максимальную добротность и приемлемый коэффициент передачи для основного вида колебаний по отношению к колебаниям нежелательных видов.

5.1.4 Гетеродинные частотомеры

Точное измерение частоты в коротковолновой части миллиметрового и в субмиллиметровом диапазоне связано со значительными техническими трудностями. В настоящем параграфе основное внимание уделено рассмотрению отдельных элементов гетеродинных частотомеров, предназначенных для работы в указанных диапазонах, которые разработаны на кафедре радиоизмерений Харьковского Государственного университета. Пока они могут использоваться главным образом в лабораторных условиях. Измерение частоты основано на сравнении измеряемой частоты с частотой одной из гармоник перестраиваемого калибруемого генератора, которые регистрируются осциллографическим индикатором. Другие способы индикации, например, по нулевым биениям, на миллиметровых и субмиллиметровых волнах применить весьма трудно. В то же время осциллографический метод индикации приводит к противоречивым требованиям в отношении полосы обзора, точности измерения частоты и чувствительности прибора.

Чувствительность частотомера определяется минимальной величиной мощности на входе прибора, при которой обеспечивается измерение частоты с определенной погрешностью в любой точке диапазона. Чувствительность гетеродинных частотомеров миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов сильно зависит от частоты измеряемого сигнала (т. е. от используемого номера гармоники плавного гетеродина) и может колебаться от долей до десятков микроватт. Под рабочим диапазоном частотомера понимается интервал частот, перекрываемый прибором ступенями или плавно, в пределах которого обеспечивается необходимая точность замеров, а полоса обзора — специфический параметр, присущий лишь измерителям с панорамным индикатором. Полоса обзора зависит от масштаба частотной развертки и полностью им определяется. Она равна полосе одновременно просматриваемых частот, в пределах которой ведется измерение.

В состав гетеродинных частотомеров входят следующие основные элементы (рис. 5.3): блок формирования калибрационных меток 10 и 1 Ггц, гетеродин высокочастотного тракта с выносной смесительной головкой, двухканальное приемно-усилительное устройство, осциллографический индикатор, источник питания.

Рис. 5.3. Блок-схема гетеродинного частотомера:

1 - выносной смеситель сигнального канала; 2 - гетеродин двухканальное приемное устройство; 4 - смеситель калибрационного канала; 5 - кварцевый калибратор; 5 - видеоусилитель; 7 - осциллографический индикатор; 8 - генератор развертки; 9 - генератор пилообразного напряжения модуляции гетеродина; 10 - блок формирования подвижной сетки калибрационных частот.

5.1.5 Интерференционный метод измерения длины волны

Ранее уже было отмечено, что применению металлических волноводов в диапазоне субмиллиметровых волн препятствуют сложность их изготовления из-за малых размеров и чрезмерно большие погонные затухания. Это обусловило развитие теории и практики лучевых квазиоптических волноводов различного типа. Одновременно изменились конструкции оптических резонаторов (интерферометров) и дифрактометров, которые применялись в оптическом и миллиметровом диапазонах для быстрого изменения длины волны сигналов.

При повышении частоты сигналов, генерируемых радиотехническими методами, их свойства все более приближаются к свойствам излучений оптического диапазона. Поэтому вполне естествен возникший вновь интерес к оптическим методам измерений в диапазоне субмиллиметровых волн. Одним из них является интерференционный метод, сущность которого заключается в следующем. При сложении двух колебаний

Asin(t — x)

и Asin(t — x +x0)

одинаковых по амплитуде и частоте, результирующие колебание

2Asin(t — x +x0)cos(x0/2)

будет иметь амплитуду 2Acos(x0/2).

Максимум амплитуды этого результирующего сигнала имеет место всякий раз, когда аргумент

x0/2=k,

а минимум амплитуды отмечается при

x0/2=(2k + 1)*/2.

Здесь k - целое произвольное число, включая нуль. Иными словами, колебания к приемнику приходят по двум путям разной длины. Для максимума сигнала разность хода волн определяется из соотношения x0=k, а при минимуме из x0=(2k + 1)*/2.

Таким образом, для получения двух соседних максимумов или минимумов необходимо изменить разность хода двух волн на одну длину волны. Если в миллиметровом диапазоне интерферирующие лучи можно пропустить внутри металлического волновода, то в субмиллиметровом диапазоне интерферометры, или оптические резонаторы, работают в квазиоптических волноводных линиях передачи и практически повторяют классические устройства оптического диапазона.

5.1.6 Дифракционный метод измерения длины волны

Рассматривая оптические методы измерения длины волны в диапазоне субмиллиметровых волн, следует остановиться на использовании здесь явления дифракции на различных телах.

В оптическом диапазоне дифракционные спектрометры широко применяются при построении различных спектральных приборов, измеряющих как длину волны сигнала, так и распределение энергии по различным составляющим. В силу того, что свойства излучения субмиллиметрового диапазона близки к свойствам световых колебаний, естественно было применить уже известные принципы и схемные решения для измерений длины волн. Оказалось возможным создать дифракционные решетки, имеющие разрешающую способность, близкую к разрешающей способности интерферометров Фабри-Перо.

Рассмотрим основные дифракционные волномеры, описания которых появились в литературе в различное время.

Рис. 5.4 Блок-схема дифрактометра с поворотной проволочной или ленточной решеткой:

1 - лучевой волновод; 2 - дифракционная решетка; 3 - фокусирующая линза; 4 - гидеодетектор; 5 - видеоусилитель с индикатором; 5 - механизм отсчета углового положения решетки и приемника; 7 - индикаторный прибор.

На рис. 5.4 изображена блок-схема прибора с проволочной или ленточной дифракционной решеткой. Исследуемый сигнал с помощью квазиоптической линии передачи 1 подводится к поверхности дифракционной решетки 2, расположенной по отношению к оси волнового пучка под произвольным известным углом 8. После прохождения через решетку сигнал оказывается разложенным на несколько составляющих, соответствующих дифракционным спектрам различного порядка. Поворачивая вокруг оси решетки приемное устройство 3, определяются углы, под которыми имеют место дифракционные максимумы. Для четкой индикации принятый сигнал усиливается и индицируется либо стрелочным прибором, либо самописцем. В последнем случае поворот приемного устройства вокруг решетки и запись на ленте должны быть жестко синхронизированы между собой. Направления прихода энергии к решетке и приема дифрагированного поля связаны между собой следующим соотношением:

(5.2)

где р — период решетки; i - угол между направлением падения излучения на решетку и нормалью к ее плоскости; - угол между нормалью к поверхности решетки и направлением приема; п — номер порядка дифракционного спектра.

На рис. 5.5 приведена блок-схема дифрактометра с отражающей ступенчатой дифракционной решеткой. Обозначения на схеме аналогичны рис. 5.4 При произвольном положении отражающей решетки по отношению к падающему излучению находят положение дифракционного максимума n-го порядка и по формуле находят длину волны сигнала.

Интенсивность отраженного сигнала в n-й максимум сильно зависит от наклона ступенек, т. е. электрической глубины канавок и угла наблюдения при постоянном отношении периода решеток к длине волны.