АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В МИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН

February 27, 2013 by admin Комментировать »

Головащенко Р. В., Горошко Е. В., Варавин А. В., Плевако А. С., Деркач В. Н. Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины ул. Ак. Проскуры, 12, г. Харьков, 61085, Украина тел.: 8(057)-7203-463, e-mail: derkach@ire.kharkov.ua

Аннотация – Рассмотрен аппаратно-программный комплекс, предназначенный для исследования спектральных и энергетических характеристик резонансных систем в миллиметровом (ММ) диапазоне длин волн. Комплекс использован в составе криодиэлектрометра для измерения потерь электромагнитной энергии в диэлектрических и полупроводниковых материалах в диапазоне частот 40-80ГГц и диапазоне температур 0.85-300К.

I.                                         Введение

Использование высокодобротных резонансных систем в ММ диапазоне длин волн дает возможность решать широкий круг задач диэлектрометрии и ЕСР радиоспектроскопии [1,2]. Имеющееся в наличии оборудование (панорамные измерители КСВН с шагом перестройки частоты в десятки МГц) зачастую не позволяет проводить исследование характеристик высокодобротных (QSIO"’) резонансных систем. Современное импортное оборудование чрезмерно дорого. Мы попытались автоматизировать процесс измерения характеристик высокодобротных резонансных систем на основе блока сопряжения и удобного интерфейса управления, сбора и обработки данных, повысив тем самым точность и скорость проведения измерений.

Рис. 1. Аппаратно-программный комплекс.

Fig. 1. The hardware and software complex

II.                                 Основная часть

Аппаратно-программный комплекс (АПК) предназначен для исследования спектральных и энергетических характеристик высокодобротных резонансных систем ММ диапазона длин волн. В состав комплекса входит стандартный генератор семейства Г4-14х 4- и 6- миллиметрового диапазонов, блок сопряжения (БС), измерительный стенд и персональный компьютер (рис.1). Технические характеристики приведены в Таблице.

Циапазон частот (ГГц)

О

00

·!·

VImh. шаг перестройки частоты (кГц)

100

Динамический диапазон (дБ)

32

Скорость перестройки частоты (точек/сек.)

10-2500

Операционная система

Л/indows 98, ХР

Интерфейс передачи данных

RS-232

Ток смещения диодов (мА)

0-2

Управляющим элементом АПК является блок сопряжения, при помощи которого производится управление частотой генератора, корректировка рабочих режимов СВЧ-детекторов и регистрация аналоговых сигналов с двух входов (например, с двух СВЧ детекторов или детектора и термодатчика). Структурная схема блока сопряжения представлена на рис. 2. В его состав входят 16-разрядный микроконтроллер (М/К MSP430F133), два идентичных входных каскада, синтезатор управляющих напряжений со встроенным источником опорного напряжения, интерфейс связи с персональным компьютером, а также ПЗУ для хранения рабочих параметров комплекса. Программное обеспечение разработано в среде Borland Delphi 5.0 и позволяет:

–          устанавливать значения начальной и конечной частоты и задавать шаг свипирования,

–          регистрировать аналоговые сигналы с двух входов (СВЧ-детекторов) и сохранять результаты в текстовый файл,

–          обрабатывать полученную информацию по

заданному алгоритму, (выделять резонансные частоты, рассчитывать значения             добротности

колебаний и т. д.).

Рис. 2. Структурная схема блока сопряжения.

Fig. 2. The interface unit flowchart

Добротность резонансных колебаний определяется путем аппроксимации резонансной кривой функцией Лоренца. Пример окон программы приведены на рис. 3.

Рассмотренный АПК использован в составе криодиэлектрометра для измерения тангенса угла потерь (tan6) в диэлектрических и полупроводниковых материалах с малым значением потерь в ММ диапазоне длин волн и широком диапазоне темпера-тур, вплоть до сверхнизких (300-0.85К).

Пример изменения частоты F (GHz) и добротности Q резонансных колебаний в дисковом диэлектрическом резонаторе (ДДР), изготовленном из CVD- диаманта (De Beers), потери в котором исследуются, приведен на рис 4.

Рис. 3. Гпавное окно и окно выбора рабочей точки детектора.

Fig. 3. Main window and detector operating point selection window

Puc. 4. Изменение F и Q ДДР на одной из мод шепчущей галереи от температуры.

Fig. 4. Frequency F and Q-factor \/s temperature for a DDR in a whispering gallery mode

III.                                   Заключение

Разработана аппаратура для автоматизированного измерения спектральных и энергетических характеристик резонансных систем в миллиметровом диапазоне длин волн. Проведено исследование характеристик диэлектрических резонаторов в широком интервале температур.

IV.                            Список литературы

Derkach У. N., Golovashchenko R. М., Tarapov S. I. et. al. Measurement of loss tangent of dielectric and semiconductor materials at millimeter waves and temperatures 0.9300 K. Joint 30th Intl. Conf on Infrared and Millimeter Waves (IRMMW-THz 2005). Conference Digest [Williamsburg, Virginia, USA, September 19-23, 2005]. – 2005, pp.192-193.

[1]  Tarapov S., Granovsky A., Derkach V. et. al. Electron spin resonance properties of magnetic granular GMI- nanostructures in millimeter waveband. International Journal of Infrared and Millimeter Waves, 2004, 25, pp. 1581-1589.

HARDWARE AND SOFTWARE COMPLEX FOR MM-WAVE SPECTROSCOPIC RESEARCH

Golovashchenko R. V., Goroshko O. V., Varavin A. V., Plevako A. S., Derkach V. N.

Usikov Institute for Radiophysics and Electronics, NAS of Ukraine.

12 Akademika Proskury Str., Kharkiv, 61085, Ukraine Ph.: 8(057) 7203463, e-mail: derkach@ire.kharkov.ua

Abstract – A hardware and software complex intended for investigation of spectral and energy characteristics of resonant systems in the mm range is described. The complex has been integrated into a cryodielectrometer to measure losses of electromagnetic energy in dielectric and semiconductor materials in the 40-80 GHz frequency range at temperatures between 0.85 К and 300 K.

I.                                        Introduction

The application of high-Q resonant systems in the mm range provides a possibility of addressing a wide scope of dielectrometry and ESR radiospectroscopy problems [1, 2]. The available equipment (panoramic VSWR measuring instruments with frequency tuning intervals of tens of MHz) is sometimes incapable of investigating resonant characteristics of high-Q (Q210”) resonant systems in the mm range, while advanced imported equipment is prohibitively expensive. We have attempted to automate the process of measuring high-Q resonant systems using an interface unit and a friendly data acquisition, processing, and control interface.

II.                                       Main Part

The hardware and software complex is intended for investigating spectral characteristics of high-Q resonant systems in the mm range. The complex comprises a standard 4mm and 6mm band Г4-14х oscillator, interface unit, measuring bench and a PC (Fig. 1). The interface unit provides the oscillator frequency control, adjustment of microwave detector operating modes and monitoring of analog signals at two inputs.

The interface unit flowchart is presented in Fig. 2. The device comprises a 16-bit M/K MSP430F133 microcontroller, two identical input stages, a control voltage synthesizer with a built- in reference voltage supply, a PC interface, as well as ROM to store operating parameters of the complex.

The software has been developed in the Borland Delphi

5.0 programming environment and provides the following:

start and end frequencies, as well as sweep steps settings;

analog signal monitoring at two inputs (microwave detectors) and saving results as a text file;

data processing in accordance with a set algorithm (i. e. determining resonant frequencies, calculating oscillation Q-factor, etc.).

The Q-factor of resonant oscillations is found by approximating a resonant curve using the Lorentz function. A user window is shown in Fig. 3.

The hardware and software complex has been integrated into a cryodielectrometer to measure the dissipation factor (tan5) in dielectric and semiconductor materials with small losses in the mm range across a wide temperature range down to ultralow temperatures (300-0.85°K). An example of variations in the frequency (F) and Q-factor (Q) of resonant oscillations in a disk dielectric resonator (DDR) made of a CVD diamond (De Beers) is shown in Fig. 4.

III.                                      Conclusion

Facilities for automated measuring of spectral and power characteristics of resonant systems in mm range have been developed. Research into characteristics of dielectric resonators across a wide temperature range has been carried out.

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