СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЗОНАНСНЫХ СТРУКТУР И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Техническое решение относится к способам резонансных радиотехнических измерений и устройствам для их осуществления, в частности к способам измерения характеристик резонансных структур и устройствам для их осуществления, 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 устройств, реализующих указанные способы измерений, 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.

Известен способ 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), заключающийся в том, что подают одночастотное зондирующее колебание, изменяемое по определенному закону в диапазоне измерений с выхода векторного или скалярного анализатора цепей на вход резонансной структуры, и принимают его на входе векторного или скалярного анализатора цепей отраженным от или прошедшим через резонансную структуру, регистрируют изменения параметров зондирующего колебания, по которым определяют резонансные частоту f_p, амплитуду U_P и добротность Q резонансной структуры.

Устройство, реализующее данный способ, содержит последовательно соединенные скалярный или векторный анализатор цепей, первую линию передачи, резонансную структуру и опционально при измерениях на прохождение вторую линию передачи, при этом выход второй линии передачи подключен к входу скалярного или векторного анализатора цепей.

Недостатком указанных способа и устройства является необходимость проведения измерений во всей полосе частот измерений, а не только резонансной структуры, или при использовании специального программного обеспечения в полосе частот, необходимой для определения добротности, использования сложных дорогостоящих скалярного или векторного анализатора цепей и широкополосных пик-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 изобретения - способа и устройства является способ для измерения характеристик резонансных структур (см. Патент США №6617861 B1 «Устройство и метод для измерения и мониторинга комплексной диэлектрической проницаемости материалов», 324/637, МПК 8 G01R 27/04, 09.09.2003), способ заключается в том, что генерируют одночастотное зондирующее колебание, подают его на вход и принимают с выхода резонансной структуры, перестраивают частоту зондирующего колебания в диапазоне измерений, соответствующем полосе частот резонансной структуры, регистрируют изменения его параметров, по которым определяют резонансные частоту f_p, амплитуду U_P и добротность Q резонансной структуры.

Устройство для реализации описанного выше способа, выбранное в качестве прототипа, содержит перестраиваемый по частоте генератор, соединенный с коммутатором, детектор, соединенный с контроллером 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

Данный способ измерения характеристик резонансных структур и устройство для его осуществления имеют недостаточную чувствительность и точность измерений. Данный способ и устройство используют 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 и низкочастотных помех, вызванных флуктуациями мощности генератора и возможных помех на подводящих к резонансной структуре линиях передачи. Все это приводит к снижению чувствительности измерений, 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 способе для измерения характеристик резонансных структур, заключающемся в том, что генерируют зондирующее колебание, подают его на вход и принимают с выхода резонансной структуры, перестраивают частоту зондирующего колебания в диапазоне измерений, соответствующем полосе частот резонансной структуры, регистрируют изменения его параметров, по которым определяют резонансные частоту f_p, амплитуду U_p и добротность Q резонансной структуры, достигается тем, что зондирующее колебание на входе резонансной структуры формируют двухчастотным с двумя составляющими равной амплитуды соответственно на частотах f₁₁ и f₁₂ со средней частотой f_C=(f₁₁+f₁₂)/2 и начальной разностной частотой Δf_P1=f₁₁-f₁₂, меньшей или равной полосе пропускания резонансной структуры, перестраивают среднюю частоту f_C зондирующего колебания, причем в ходе перестройки начальную разностную частоту Δf_P1 оставляют неизменной, регистрируют изменение средней частоты зондирующего колебания f_C=(f₁₁+f₁₂)/2 и параллельно измеряют коэффициент модуляции m огибающей сигнала биений между составляющими зондирующего колебания на выходе резонансной структуры, по достижении коэффициентом модуляции значения m=1 измеряют резонансную частоту f_P резонансной структуры, как равную значению средней частоты f_C в данный момент времени, и измеряют соответствующую ему амплитуду огибающей сигнала биений между составляющими зондирующего колебания U₁ на выходе резонансной структуры, далее не меняя средней частоты f_C зондирующего колебания, изменяют начальную разностную частоту Δf_P1 на определенную величину 2Δf, так что значения частот составляющих зондирующего колебания становятся равны соответственно f₂₁=f₁₁-Δf и f₂₂=f₁₂+Δf, а значение разностной частоты Δf_P2=Δf_P1+2Δf не превышает полосы пропускания резонансной структуры, после чего измеряют амплитуду огибающей сигнала биений между составляющими зондирующего колебания U₂ на выходе резонансной структуры, вычисляют резонансную амплитуду U_P резонансной структуры по выражению

где χ=U₂Δf_P2/U₁Δf_P1,

и добротность Q резонансной структуры по выражению

где i равно 1 или 2.

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 осуществление способа измерения характеристик резонансных структур и работу устройства для его осуществления.

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 заявке. 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 f₁₁ и f₁₂. Для его формирования в перестраиваемом по частоте генераторе 1 генерируют среднюю частоту равную f_C=(f₁₁+f₁₂)/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 Δf_P1=f₁₁-f₁₂, 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 Δf_P1.

В ходе перестройки в контроллере 4 управления и измерения характеристик резонансных структур регистрируют изменение средней частоты зондирующего колебания f_C=(f₁₁+f₁₂)/2 и измеряют коэффициент модуляции m его огибающей на выходе детектора 3, по достижении которым значения m=1 (фиг.2) определяют резонансную частоту f_P резонансной структуры 6, как равную значению средней частоты f_C 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 f_P 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 f_C зондирующего колебания, и на преобразователь 9 одночастотного колебания в двухчастотное для изменения начальной разностной частоты Δf_P1 на определенную величину 2Δf, так что значения частот составляющих зондирующего колебания становятся равны соответственно f₂₁=f₁₁-Δf и f₂₂=f₁₂+Δf, а второе значение разностной частоты Δf_P2=Δf_P1+2Δf 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=U₂Δf_P2/U₁Δf_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 f_P 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 Δf_P1 и Δf_P2 и настройке на резонансную частоту f_C=f_P,

далее вычисляют по полученным значениям добротность Q резонансной структуры 6.

Устройство для осуществления способа 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 осуществления способа 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 осуществления способа 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 способами (включая прототип) измерения характеристик резонансных полосковых и устройствами для их осуществления, 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, предложенные способ и устройство с двухчастотным зондированием резонаторного датчика и измерением коэффициента модуляции и амплитуды огибающей биений зондирующей пары сигналов после отражения от или прохождения через резонаторный датчик 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 флуктуации 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(f) - 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, Δf_пп} в пик-детекторе - это токовые шумы с распределением вида 1/f и другие мощные шумы и флуктуации низкочастотной природы, для диапазона {ΔfP₂-Δf_пп, Δf_P2+Δf_пп} детектора огибающей - это дробовой шум малой интенсивности, где Δf_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 способа измерения характеристик резонансных структур и опытного устройства для его осуществления 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.