АВТОГЕНЕРАТОРНЫЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ В МИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ

January 19, 2013 by admin Комментировать »

Скресанов В. Н., Шубный А. И. Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины ул. Ак. Проскуры,12, г. Харьков, 61085, Украина тел.:(057) 720-34-55, e-mail: valery@ire.kharkov.ua

Аннотация – Предложен метод измерения малых вариаций диэлектрической или магнитной проницаемости веществ, основанный на спектральном анализе сигнала квазиоптического генератора, в высокодобротную открытую резонансную систему которого помещается образец. Дано описание и приведены характеристики преобразователя изменений показателя преломления вещества в частоту. Оценена чувствительность измерительной системы.

I.                                       Введение

При исследовании электрофизических параметров веществ применяются так называемые активные измерительные системы, т. е. системы у которых кювета с образцом объединена с резонаторной системой генератора [1,2,3]. Изменение электрической длины кюветы, обусловленное изменением диэлектрической или магнитной проницаемости образца, вызывает сдвиг частоты генерации. Эта зависимость лежит в основе известных методов измерения проницаемостей веществ.

Мы предлагаем измерять малые вариации диэлектрической или магнитной проницаемостей вещества, измеряя индекс частотной модуляции. Изменение частоты генерации может быть вызвано как преднамеренным периодическим внешним воздействием на вещество некоторого физического фактора, так и случайными процессами. В простейшем случае измерение индекса регулярной или случайной модуляции частоты осуществляется с помощью стандартных анализаторов спектра. Рекордные результаты достигаются при использовании измерителей флуктуаций частоты.

В данной работе приведены результаты разработки и исследования спектральных характеристик предложенного нами термокомпенсированного квазиоптического генератора (КОГ) на диоде Ганна с низким уровнем фазовых шумов, выполняющего функции квазиоптического преобразователя изменений диэлектрической или магнитной проницаемостей веществ в изменение частоты генерации. На основе измерения уровня фазовых флуктуаций преобразователя даётся оценка чувствительности измерительной установки.

II.                               Основная часть

Основу конструкции активного квазиоптического преобразователя, составляет специально разработанный термокомпенсированный КОГ на диоде Ганна с низким уровнем фазовых шумов (Рис 1). Открытый резонатор (ОР) образован двумя сферическими зеркалами 1 и 2. В центре зеркала 1 выполнено коротко- замкнутое отверстие прямоугольного поперечного сечения. Диод Ганна расположен в отверстии и на него подано напряжение смещения с помощью штыря 3. Вывод энергии из ОР в нагрузку осуществляется через щель в центре зеркала 2. Термокомпенсация генератора осуществляется подбором длин ин- варовых стержней 4 и латунных вставок 5 в соответствии с условием: l„i+l„2=L (σα -ТКЧдг)/(а„ – ац), где σ„ ν\ σ„- температурные коэффициенты линейного расширения инвара и латуни, соответственно, а ТКЧдг- вкпад в температурных коэффициент частоты генератора (ТКЧког) температурного коэффициента частоты диода Ганна. Из проведенных измерений и оценок технологических погрешностей следует, что ТКЧког в отсутствие влияния атмосферы не превышает величину порядка 10’^ 1/°С.

Для изучения электрофизических свойств сыпучих веществ разработана кювета, две радиопро- зрачные стенки которой представляют собой плоскопараллельные пластины из плотного пенопласта 6. Пространство между пластинами заполняется исследуемым веществом 7.

Рис. 1. Активный квазиоптический преобразователь.

Fig. 1. Active quasi-optical converter

Рассматриваемый КОГ имеет прототип [4]. В его названии подчёркнут тип согласующей цепи – четвертьволновая радиальная линия в пучности электрического поля ОР {ho = ^2 и Ьд = Хд/4). В отличие от прототипа, в представленном здесь КОГ согласование осуществляется «толстым» штырём 3 (диаметр порядка 0,2λο_ а ho = 31/4 и Лд = 1/2). Это отличие обусловило существенно более низкий уровень потерь на рассеяние энергии в ОР и, как следствие, низкий уровень фазовых шумов. Результаты измерений представлены в таблице в виде среднеквадратичной девиации частоты Afrms, приведенной к полосе 1 Гц, при расстройке F от несущей. По-существу, измеренные значения Afrms являются шумовым порогом измерений вариаций частоты.

Табл. 1.

Table 1.

F, кГц

1

5

10

50

100

^rms ГЦ/.^Г’Ц

0,063

0,032

0,028

0,016

0,014

Оценим чувствительность предлагаемого метода измерения, считая, что используется идеальный анализатор спектра, а шумы системы обусловлены шумами активного преобразователя и равны произведению среднеквадратичной шумовой девиации частоты КОГ на ширину В полосы анализа. Тогда отношение сигнал/шум можно записать в виде:

Задаваясь отношениеми            пользуясь рас

чётными значениями коэффициентов преобразования К^,К^, оценим предельные значения вариаций диэлектрической и магнитной проницаемостей, которые можно измерить. Примем S/N =10, на частоте анализа λΟκΓυ,а             полоса

анализа В пусть будет равна 100 Γι<. Коэффициент преобразования изменения диэлектрической постоянной в изменение резонансной частоты полностью заполненного ОР на частоте 30 ГГц равен:

Откуда следует – Λε = 6-10‘”\ Чувствительность к изменению магнитной проницаемости «радиопро- зрачного» диэлектрика (пусть, например, /^=1, £=1,5) для слоя толщиной порядка длины волны можно рассчитать по методике [5]. Получим =2-10® Гц и ф=4-10’®.

III.                                   Заключение

Предложен способ измерения малых вариаций диэлектрической или магнитной проницаемостей веществ, основанный на спектральном анализе сигнала КОГ, в открытый резонатор которого вносится исследуемое вещество.

Разработан малошумящий термокомпенсированный квазиоптический преобразователь вариаций диэлектрической или магнитной проницаемостей веществ в частоту. Измерены ТКЧ и фазовые флуктуации преобразователя.

Дана оценка чувствительности метода, основанная на достигнутых характеристиках КОГ. В частности, для веществ с малыми потерями можно измерять следующие значения изменения диэлектрических и магнитных постоянных:

~ 5-10·””при полном заполнении (например, газом) объёма ОР;

~5 Ю®при заполнении ОР слоем вещества толщиной порядка длины волны.

IV.                            Список литературы

[1] Аймера Р. К., Бэечелор Д. Б., Моди Д. К., Лашински Г. Измерения на СВЧ с помощью активных систем // ТИИ- ЭР.-.1974, №1,0.144-155.

[2] Менде Ф. Ф., Бондаренко И. Н., Трубицин А. В. Сверхпроводящие и охлаждаемые резонансные системы. – Киев. Наукова думка. 1976. – 272 с.

[3] Антипенко Р. В., Мачусский Е. А., Першин Н. А. Активный квазиоптический измеритель физических свойств материалов. Радиоэлектроника.2004. № 8, с.79-80.

[4] Булгаков Б. М., Скресанов В. Н., Фисун А. И. Шубный А. И. Квазиоптический полупроводниковый генератор с ради- ально-волноводным возбуждением. Приборы и техника эксперимента, № 1, 1987. – С.114- 116.

[5] Андросов В. П., Велиев Э. И., Вертий А. А. Поляризационные и спектральные характеристики открытых резонаторов с внутренними неоднородностями. Изв. вузов – Радиофизика. 1982, т. 25, № 3, с. 318 – 328.

AUTOGENERATOR SPECTRAL METHOD FOR TESTING OF ELECTROPHYSICAL PROPERTIES OF MATERIALS IN MILLIMETER-WAVE BAND

Skresanov V. N., Shubnyj A. I.

Usikov institute of Radio Physics and Eiectronics of Nationai Academy of Sciences of Ukraine

12,     Akademika Proskury Str, Kharkiv, 61085, Ukraine

Abstract – The method of measurement of small variations of dielectric or magnetic permeability of substances based on the spectral analysis of a signal of quasi-optical generator (QOG) is offered. The description is given and the characteristics of the converter of a parameter of refraction of substance changes to frequency changes are given. The sensitivity of measuring system is estimated.

I.                                         Introduction

The active measuring system is a system, in which substance is incorporated with the generator. The electrical length change ofthe cavity caused by the dielectric or magnetic permittivity of substance variation causes the shift of oscillation frequency. In the given work we present the results of researches of the spectral characteristics of the quasi-optical generator offered by us.

The possibilities of other method of measurement of a parameter of refraction variations are also investigated for the case if they are caused by external influence to substance.

II.                                        Main Part

Basis of the active quasi-optical converter is the thermo compensated quasi-optical generator with a low level of phase noise (Fig. 1). Two spherical mirrors 1 and 2 form the open resonator (OR). At the center of a mirror 1 the rectangular hole is made. The Gunn-diode is located in the hole and DC power to it through the post 3 is sent. The outcome of energy from OR carries out through the slot at the center of a mirror 2. Thermocompensation of the generator is carried out by selection of lengths of invar rods 4 and brass inserts 5 according to a condition: I„i+I„2=L (σ„ -TFFbd)/(^„ – ctJ, where σ„ and σ„ – temperature factors of linear expansion invar and brass, accordingly, and TFFgd – contribution of temperature factor of frequency of the Gunn-diode to temperature factor of frequency of the generator (TFFqog). It follows, that TFFqog does not exceed value about 10’M/°C.

The cavity that consists of two radio transparent plates 6 is developed. The researched substance 7 fills the space between the plates.

As against the prototype [4] represented QOG has much lower level of losses on dispersion of energy in OR and low level of phase noise. The results of measurements are submitted in the table. The measured values Af^ms are noise threshold of measurements of variations of frequency.

F, kHz

1

5

10

50

100

^rms Hz/JHz

0,063

0,032

0,028

0,016

0,014

It is possible to calculate sensitivity to changes of dielectric or magnetic permittivity of substance using the equation:

III.                                       Conclusion

The refractometer for measurement of small variations of a parameter of refraction is offered. The thermo compensated quasi-optical Gunn oscillator with a low noise level as a basis of refractometer is developed.

The rating of sensitivity of a method of measurement at the ratio signal/noise 10 dB is given: ~5-10’"at complete filling of volume of the OR, ~ 5-10 ®at filling the OR by a layer of substance by thickness about wavelength.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты