Способ определения фазовой скорости распространения электромагнитной волны в линии передачи

 

Использование: в технике измерений интерферометрическими методами, при исследовании линий передач (ЛП) электромагнитных волн (ЭВМ) с фазовой скоростью, замедляющих систем и оптических свойств различных сред. Сущность изобретения: способ определения фазовой скорости распространения ЭВМ в ЛП включает модуляцию монохроматической ЭВМ импульсной последовательностью, разделение промодулированной ЭВМ на две коогерентные волны, одновременное пропускание этих волн по двум каналам - опорному (ОК) и зондирующему (ЗК) с исследуемой ЛП, смешивание волн обоих каналов на их выходах, детектирование смешанного сигнала фазовым детектором, измерение времени запаздывания видиоимпульса ЗК относительно видиоимпульса ОК и длительности суммарного видиоимпульса, измерение амплитуд видиоимпульса в интервалах времени, определение длины исследуемой ЛП, периода повторения и фазовой скорости. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а точнее к технике измерений интерферометрическими методами. Преимущественная область использования исследование линий передач (ЛП) с дисперсией, в том числе исследование дисперсных характеристик замедляющих систем.

Известен способ определения фазовой скорости распространения электромагнитной волны в ЛП в виде короткозамкнутого отрезка, частично или полностью заполненного диэлектриком, включающий измерение коэффициента стоячей волны в исследуемой ЛП, нахождение первой резонансной частоты f₀₁ в исследуемой ЛП, нахождение второй резонансной частоты f₀₂ в исследуемой ЛП и определение фазовой скорости V_ф по формуле: V_ф 2l (f₀₂ f₀₁) (1) где l длина исследуемой ЛП, м.

Недостатки способа: во-первых, позволяет определять только в короткозамкнутом отрезке ЛП, а не всякую ЛП можно выполнить в виде такого короткозамкнутого отрезка; во-вторых, не предполагает априори наличие дисперсии в исследуемой ЛП и полагает, что фазовые скорости распространения электромагнитной волны в ЛП на частотах f₀₁ и f₀₂одинаковы, хотя большинство практических ЛП, тем более замедляющие системы, обладают дисперсией. Поэтому точность способа невысокая.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является способ определения скорости распространения когерентного оптического излучения (КОИ) в прозрачных средах, включающий разделение КОИ на зондирующий и опорный пучки (ЗП и ОП) равной интенсивности, одновременное пропускание этих пучков по двум каналам опорному (ОК) и зондирующему (ЗК), в который помещена исследуемая среда, совмещение ЗП и ОП на выходе обоих каналов до образования интерференционной картины (ИК), преобразование фотоприемником интенсивности излучения в данной точке ИК в электрическое напряжение, измерение напряжения на выходе фотоприемника в минимуме и максимуме ИК, плавное изменение частоты КОИ или длины оптического пути ОК до получения напряжения на выходе фотоприемника, равного полусумме его значений в минимуме и максимуме ИУ, измерение полученного напряжения U_о на выходе фотоприемника, введение фиксированной задержки ОП на время τ, при которой приращение напряжения на выходе фотоприемника по модулю превышает порог его чувствительности в 10 раз, измерение этого напряжения U₁ на выходе фотоприемника, изменение частоты КОИ на фиксированную величину, при которой приращение напряжения на выходе фотоприемника по модулю превышает порог его чувствительности в 10 раз, и измерение этого напряжения U₂, исключение фиксированной задержки τ ОП и измерение напряжения U₃ в этом положении на выходе фотоприемника, определение скорости V распространения КОИ в исследуемой среде по формуле v , (2) где l длина исследуемой среды, м.

Известное устройство для измерения скорости содержит источник КОИ, устройство сдвига частоты, генератор электрических колебаний, полупрозрачное зеркало, первую линзу, исследующую среду, вторую линзу, неподвижное зеркало, оптический аттенюатор (ОАТ), подвижное зеркало, третью линзу, диафрагму, фотоприемник и блок измерения с регистратором. Первая линза, исследуемая среда, вторая линза и неподвижное зеркало составляют зондирующий канал интерферометра; ОАТ и подвижное зеркало составляют опорный канал интерферометра; третья линза, диафрагма и блок измерения с регистратором составляют измерительное плечо интерферометра.

Излучение источника КОИ направляют на устройство сдвига частоты, на которое также подают модулирующий электрический сигнал генератора электрических колебаний. Сдвинутое по частоте КОИ после устройства сдвига частоты подают на полупрозрачное зеркало, которое делит это излучение на два пучка ЗП и ОП. ЗП при помощи первой линзы вводят в исследуемую среду, а после нее через вторую линзу направляют на неподвижное зеркало. Отраженный от неподвижного зеркала ЗП второй линзой вводят в исследуемую среду, а с ее выхода первой линзой направляют на полупрозрачное зеркало. ОП направляют на ОАТ, а с него на подвижное зеркало. Отраженный от подвижного зеркала ОП направляют на ОАТ, а с него на полупрозрачное зеркало, где смешивают его с ЗП. Смешанный пучок через третью линзу и диафрагму направляют на фотоприемник для измерения направления на его выходе, соответствующего интенсивности излучения на входе фотоприемника. Интенсивность ОП и ЗП выравнивают ОАТ в опорном канале интерферометра. Фиксированную задержку τ ОП создают смещением подвижного зеркала на калиброванную величину Δ d, внося задержку τ Δ d/с.

Прототип устраняет первый недостаток аналога исследуемая среда не требует своего исполнения в виде отдельного короткозамкнутого отрезка. Прототип частично устраняет и второй недостаток изменение частоты КОИ при проведении измерений незначительно и соответствует разности фаз Δ ϕ интерферируемых волн не более π/2, т.е. прототип уже предполагает наличие дисперсии в исследуемой среде. К недостаткам прототипа следует также отнести три следующих факта: во-первых, из всего диапазона электромагнитных колебаний прототип охватывает только волны оптического диапазона; во-вторых, однозначное определение скорости распространения электромагнитного оптического излучения прототипом возможно только тогда, когда разность фаз Δ ϕ между пучками ЗК и ОК составляет 0 ≅ Δ ϕ ≅ π, что связано с периодичностью и четностью функции cоs Δ ϕ, участвующей в точных расчетных формулах скорости V; при разности фаз Δ ϕ > π скорость V определяется неоднозначно; в-третьих, определение скорости V по формуле (2) с достаточной точностью достигается только при разности фаз Δ ϕ вблизи π/2 на линейном участке характеристики преобразования фотоприемника; при удалении Δ ϕ от π/2 точность измерения снижается, что обусловлено ростом нелинейности характеристики преобразования, возрастанием погрешностей преобразования и возрастанием влияния отражений сигнала от неоднородностей в высокочастотных трактах интерферометра.

Целью изобретения является расширение частотного диапазона, исключение неоднозначности определения фазовой скорости и повышение точности измерения. Неоднозначность исключена. Частотный диапазон расширен и дает возможность проводить измерения в сантиметровом, дециметровом и метровом диапазонах волн. Достигнутая точность измерения фазовой скорости V_ф составляет ± 10% и не превышает погрешности измерений при регистрации, что в два и более раз превышает точность измерения V_ф по сравнению с прототипом.

Это достигается тем, что при способе определения фазовой скорости распространения электромагнитной волны в линии передачи, основанном на разделении монохроматической электромагнитной волны на две когерентные волны, одновременном пропускании этих волн по двум каналам опорному и зондирующему с исследуемой линией передачи, смешивание волн обоих каналов на их выходах, измерение амплитуд сигналов опорного и зондирующего каналов и суммарного сигнала и вычислении, монохроматическую электромагнитную волну модулируют импульсной последовательностью с длительностью импульса τ_и периодом повторения Т_n, смешанные радиоимпульсы детектируют фазовым детектором, измеряют время запаздывания τ_з видеоимпульсов зондирующего канала относительно видеоимпульсов опорного канала и длительность суммарного видеоимпульса τ_Σ, измеряют амплитуды видеоимпульса в интервалах времени [ 0; τ_з), (τ_з; τ_и) и τ_з; τ_Σ] а длину l исследуемой ЛП, длительность импульсов τ_и, период повторения Т_n и фазовую скорость V_ф определяют из соотношений: l ≥ λ_o / 2 (3) ζ_o + 10T_o≅ τ_u≅ t_p-(ζ_o-1) (4) T_n ≥ 5 τ_и (5) V_ф ω l / ϕ (6) где λ_o заданная длина волны в свободном пространстве, м; ζ_o заданный расчетный коэффициент замедления в исследуемой линии передачи; c 3 ˙ 10⁸ м/с; Т_о заданный период рабочей частоты, с;
t_р заданное время развертки измерителя времени запаздывания, с;
ω заданная круговая частота, с^-1;
ϕ расчетная разность фаз, рад;
ϕ n π + Δ ϕ
n INT+ / (7)
INT(x) функция целых чисел;
Δϕ + (8)
Δ ϑ ω ˙ Δ t
Δ t заданная абсолютная погрешность измерения времени τ_Σ, с;
ϕ_инт= arccos ϕ_o (9) где U_о измеренная амплитуда сигнала опорного канала в интервале времени [ 0; τ_з), В;
U_Σ измеренная амплитуда суммарного сигнала в интервале времени ( τ_з; τ_и), В;
U_р измеренная амплитуда сигнала зондирующего сигнала в интервале времени ( τ_и;τ_Σ В;
ϕ_o начальная разность фаз, рад.

На чертеже приведена структурная схема устройства для определения фазовой скорости по предлагаемому способу.

Определение фазовой скорости распространения ЭМВ согласно предлагаемому способу производят следующим образом. Задают рабочую частоту f_о, на которой определяют фазовую скорость V_ф. Определяют соответствующие этой частоте период повторения Т_о 1/f_о и длину волны λ_o сТ_о, где с 3 ˙ 10⁸ м/c. Выбирают длину l исследуемой ЛП, длительность импульсов τ_и и период повторения Т_п модулирующей импульсной последовательности согласно формулам (3) (5). Модулируют генератор СВЧ, например Г4-37А, импульсной последовательностью с заданными длительностью τ_и и периодом повторения Т_п, например, путем подачи такой последовательности видеоимпульсов генератора видеоимпульсов Г5-54 на вход внешней модуляции генератора Г4-37А. Промодулированную квазимонохроматическую ЭМВ на выходе генератора СВЧ разделяют на две когерентные волны, например, с помощью тройника СР50-95Ф. Разделенные волны пропускают по ОК и ЗК и смешивают, например, с помощью второго тройника СР50-95Ф. Смешанные радиоимпульсы подают на фазовый детектор, а с него на регистратор, например на осциллограф С7-8. Для удобства измерений, как правило, амплитуды сигналов на входах обоих каналов выравнивают. Для этого с входов ОК и ЗК снимают сигналы, пропорциональные амплитудам подающих волн, например, с помощью направленных ответвителей типа Р1320, детектируют эти радиоимпульсы, например, детектором типа Д605 и подают видеоимпульсы на соответствующие входы регистратора, например, осциллографа С1-74. Наблюдая за сигналами ОК и ЗК на экране осциллографа С1-74, с помощью аттенюаторов, например, Д5-20, включенных в цепи ОК и ЗК на входах направленных ответвителей, выравнивают амплитуды падающих волн на входах обоих каналов. Устанавливают начальную разность фаз ϕ_o, например, по способу включения в ЗК эталонной ЛП с фазовой скоростью распространения V_фэ, равной фазовой скорости распространения V_фо в ЛП опорного канала, и длиной, равной длине l исследуемой ЛП и ЛП ОК. Для этого включают в ЗК вместо исследуемой ЛП эталонную ЛП, измеряют амплитуды U₀₁ сигналов ОК и U_р1 сигналов ЗК либо на экранах С1-54, либо на экранах С7-8 и амплитуду U _{Σ 1} суммарного сигнала на экране осциллографа С7-8. Определяют ϕ_o по формуле
ϕ_o= arccos (10)
Включают снова исследуемую ЛП в ЗК. Проводят описанные выше операции. Измеряют на экране осциллографа С7-8 время запаздывания τ_звидеоимпульсов ЗК относительно видеоимпульсов ОК и длительность суммарного видеоимпульса τ_Σ. Измеряют амплитуды видеоимпульса в интервалах времени U_о в интервале [ 0; τ_з); U_Σ в интервале ( τ_з; τ_и); U_р в интервале (τ_и; τ_Σ] Определяют целое число n и Δ ϕ по формулам (7) и (8). Рассчитывают разность фаз ϕ.Определяют V_ф по формуле (6).

Коэффициент ζ_о задают следующим образом. Если исследуемая ЛП есть стандартная линия, например коаксиальный кабель, то ζ_о берут по справочнику. Если же по исследуемой ЛП нет справочных данных, то ζ рассчитывают теоретически.

Выбор длины В исследуемой ЛП, длительности импульса τ_и и длительности времени развертки t_р осциллографа покажем на примере выбора этих величин на рабочей частоте f_o 400 МГц (Т_о 2,5 нс; λ_o 0,75 м) для ЛП из кабеля РК50-2-22. Находят ζ_o1,42. Согласно формуле (3), длина кабеля должна быть l> λ_o/2.

Берут, например, l 0,6 м. Тогда время запаздывания будет τ_з= (ζ_o-1) 0,42 ˙2 0,84 ≈ 0,9 нс. Делают грубую оценку длительности импульса τ_и > 10 Т_о= 10˙ 2,5 25 нс. Так как время развертки t_р > τ_и, то выбирают время развертки осциллографа С7-8 t_р 50 нс. Но на развертке t_р 50 нс, время запаздывания τ_з ≈ 0,9 нс очень трудно измерить, так как t_p /τ_з 50; 0,9 > 50. Поэтому выбирают более длинный кабель, например l 2,1 м. Тогда время запаздывания
τ_з= (ζ_o-1) 0,42 ˙ 7 2,94 ≈ 3нс. По формуле (4) находят пределы для τ_и: 9,94 + 25 ≅ τ_и ≅ 50-3 или 35 ≅ τ_и ≅ 47. Выбирают, например, τ_и 40 нс. Итак, выбрано l 2,1 м; τ_и 40 нс; t_р 50 нс.

На чертеже приведена структурная схема устройства для осуществления способа.

Оно содержит генератор СВЧ (ГСВЧ) 1, генератор видеоимпульсов (ГВИ) 2, выход которого подключен к входу внешней модуляции ГСВЧ1, последовательно соединенные первый вентиль 3 и первый тройник (ТР) 4, подключенные к выходу ГСВЧ 1, последовательно соединенные первый аттенюатор (АТ) 5, первый направленный ответвитель (НО) 6, эталонный отрезок коаксиальной линии (ЭКЛ) 7 и второй вентиль 8, подключенные к первому выходу первого ТР4 и составляющие линию передачи опорного канала интерферометра, последовательно соединенные второй АТ 9, второй НО 10, исследуемая линия передачи 11, третий вентиль 12, подключенные к второму выходу первого ТР4 и составляющие линию передачи зондирующего канала интерферометра, второй ТР13, к первому входу которого подключен выход второго вентиля 8, а к второму входу выход третьего вентиля 12, фазовый детектор (ФД) 14, к входу которого подключен выход второго ТР13, первый регистратор 15, к входу которого подключен выход ФД14, к входу синхронизации которого подключен первый выход синхронизации ГВИ 2, первый 16 и второй 17 детекторы (Д16 и Д17), подключенные соответственно к выходам падающей волны первого и второго НО 6 и НО 10, второй регистратор 18, к первому и второму входам которого подключены соответственно выходы первого и второго Д 16 и Д17, к входу синхронизации которого подключен второй выход синхронизации ГВИ 2.

Измерение фазовой скорости распространения V_ф ЭМВ в исследуемой ЛП 11 устройством производят следующим образом. Устанавливают на ГВИ 2 соответствующие длительность τ_и, период повторения Т_п и амплитуды модулирующих импульсов и импульсов синхронизации. Модулируют ГСВЧ 1 импульсной последовательностью ГВИ 2; одновременно с началом модуляции ГСВЧ 1 запускают регистраторы 15 и 18 импульсами синхронизации ГВИ 2. Промодулированную квазимонохроматическую ЭМВ, прошедшую через вентиль 3, разделяют в первом ТР 4 на две когерентные волны, которые направляют по линиям передачи ОК и ЗК. Радиоимпульсы с выходов второго 8 и третьего 12 вентилей смешивают во втором ТР 13, смешанные радиоимпульсы подают на вход ФД 14. Видеоимпульсы с выхода ФД 14 подают на вход первого регистратора 15. Радиоимпульсы ОК и ЗК с выходов падающей волны первого и второго НО 6 и НО 10 подают на входы первого и второго Д 16 и Д 17. Видеоимпульсы с выходов первого и второго Д 16 и Д 17 подают на первый и второй входы второго регистратора 18. Наблюдая за амплитудами сигналов ОК и ЗК на втором регистраторе 18, выравнивают амплитуды на входах обоих каналов при помощи первого и второго АТ 5 и АТ 9. Измеряют время запаздывания Δ t и длительность суммарного видеоимпульса τ_Σ на первом регистраторе 15. Измеряют амплитуды видеоимпульса в различных интервалах времени на первом регистраторе 15. Исключают из ЗК исследуемую ЛП 11, включают на ее место эталонную, ЛП 7 с известной фазовой скоростью распространения ЭМВ. Проводят те же операции, что и при включенной исследуемой ЛП 11. Измеряют время запаздывания Δ t_о на первом регистраторе. Определяют действительное время запаздывания τ_з, длительность суммарного видеоимпульса τ_Σ и фазовую скорость V_ф по формуле (6).

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАЗОВОЙ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ В ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ, основанный на разделении монохроматической электромагнитной волны на две когерентные волны, одновременном пропускании этих волн по двум каналам, опорному и зондирующему, с исследуемой линией передачи, смешивании волн обоих каналов на их выходах, измерении амплитуд сигналов опорного и зондирующего каналов и суммарного сигнала и вычислении, отличающийся тем, что, с целью расширения частотного диапазона, исключения неоднозначности определения фазовой скорости и повышения точности измерений, монохроматическую электромагнитную волну модулируют импульсной последовательностью с длительностью импульса τ_и и периодом повторения T_п смешанные волны обоих каналов на их выходах детектируют фазовым детектором, измеряют время запаздывания τ_з видеоимпульсов зондирующего канала относительно видеоимпульсов опорного канала и длительность суммарного видеоимпульса τ_Σ , измеряют амплитуды видеоимпульса в интервалах времени [(0; τ_з); (τ_з; τ_и); (τ_м; τ_Σ)] , а длину l исследуемой линии передачи, длительность импульсов t_и период повторения τ_п и фазовую скорость v_ф определяют из соотношений
l≥ λ_o/2;

τ_п≥ 5τ_и;
v_ф= ωl/ϕ ;
где λ_o заданная длина волны в свободном пространстве, м;
ζ_o заданный расчетный коэффициент замедления в исследуемой ЛП;
c 3 · 10⁸ м/с;
T₀ заданный период рабочей частоты, с;
t_р заданное время развертки измерителя времени, с;
ω заданная круговая частота, с^-1;
v расчетная разность фаз, рад;
v= nπ+Δϕ;

INT [X] функция целых чисел;

Δϕ=ωΔt , Δt заданная абсолютная погрешность измерения времени τ_Σ, с;

U_о измеренная амплитуда сигнала ОК в интервале времени [0; τ_з] В;
U_Σ измеренная амплитуда суммарного сигнала в интервале времени (τ_з; τ_и) , В;
U_р измеренная амплитуда сигнала ЗК в интервале времени (τ_и, τ_Σ), В;
v_o начальная разность фаз, рад.

РИСУНКИ

Рисунок 1