Измерение частоты и мощности в субмиллиметровом диапазоне

5. Измерение частоты и мощности в субмиллиметровом диапазоне

5.1 Измерение частоты и длины волны

Частота или длина волны колебаний субмиллиметрового диапазона является одной из основных характеристик, подлежащих определению при аттестации генераторов и приемников, диагностике плазмы и изучении свойств различных веществ как твердых, так и газообразных. Особенно важно знать точное значение частоты или длины волны колебаний при спектроскопических исследованиях.

Развитие радиотехники миллиметрового диапазона радиоволн, освоение нового, более коротковолнового субмиллиметрового диапазона потребовало разработки специальных приборов для измерений частоты и длины волны. Принципиально возможны два пути решения этой задачи: использование хорошо известных радиотехнических методов частотных измерений и не менее хорошо разработанных оптических методов измерений длины волны с помощью различных оптических резонаторов (интерферометров) и дифрактометров. Кроме этого, возможны гибридные системы, использующие как радиотехнические, так и оптические методы измерений.

В свободном пространстве скорость движения волны v равна скорости света с. При распространении радиоволн в различных средах и линиях передачи их фазовая скорость отличается от скорости света. Фазовая скорость, или фазовая длина волны в волноводах, зависит от их формы и геометрических размеров. Итак, при постоянной частоте колебаний f их фазовая скорость и длина волны не являются постоянными величинами при распространении в различных средах и линиях передачи. В то же время частота колебаний не зависит от условий распространения электромагнитной энергии и является постоянным параметром, характеризующим электромагнитное колебание.

В практике измерений на СВЧ удобно пользоваться термином «длина волны», так как геометрические размеры колебательных систем соизмеримы с длиной волны. Благодаря этому имеется возможность во многих случаях свести измерение длины волны колебаний к измерению линейных или угловых перемещений рабочих элементов. Для более точных измерений используется метод сравнения частот эталонов того или иного типа или их гармоник с частотой неизвестного колебания.

Рассмотрим теперь конкретные примеры построения волномеров и частотомеров субмиллиметрового диапазона радиоволн.

5.1.1 Волномеры с объемными резонаторами

В сантиметровом и миллиметровом диапазонах радиоволн, особенно в длинноволновом его участке, широкое распространение получили волномеры, использующие резонансные явления в отрезках коаксиальной линии или в круглых и прямоугольных волноводах.

Для иллюстрации на рис. 5.1 приведены их упрощенные схемы. С помощью подвижного поршня 2 изменяется длина камеры l, т. е. ее резонансный объем. Связь с линией передачи осуществляется через отверстия связи 3. Момент резонанса фиксируется по показаниям индикаторного прибора (микроамперметра), включенного в цепи детектора. В зависимости от схемы включения волномера микроамперметр в момент резонанса покажет либо минимум тока (рис. 5.1, а и в), либо максимум (рис. 5.1, б). В этом случае длина резонатора будет кратна целому числу полуволн, т. е.

 (5.1)

где  — длина волны в волноводе; п — целое положительное число.

Продолжая движение поршня в сторону укорочения или удлинения линии, добиваются повторных резонансов. Разность отсчетов положения поршня между двумя соседними резонансами равна половине длины волны в волноводе.

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.