Интерференционный метод измерения мгновенной частоты СВЧ импульса
Кулигин В.А.
(Исследовательская группа АНАЛИЗ)
Введение
Применяющаяся в настоящее время методика измерений сводится либо к измерению спектральной плотности излучаемого сигнала (при исследовании внеполосных излучений), либо к измерению частоты с помощью объемного перестраиваемого резонатора.
Общая схема измерения изменения мгновенной частоты внутри импульса приведена ниже (рис. 1). Она содержит источник периодических СВЧ импульсов, резонатор, осциллограф и др. элементы.
Рис. 1. Обозначения на схеме: 1 – источник СВЧ импульсов; 2 – аттенюатор; 3 – волновод; 4 – детекторная секция; 5 – перестраиваемый резонатор; 6 – осциллограф; 7 – согласованная нагрузка.
На осциллограф поступают два сигнала. Первый сигнал (синхронизация развертки) поступает от источника СВЧ импульсов, второй – от детекторной секции. Резонатор интенсивно отсасывает энергию в тот момент времени, когда мгновенная частота совпадает с частотой резонатора. В этом месте у детектированного импульса появляется «провал», как показано на рис. 2. Перестраивая частоту резонатора можно исследовать зависимость изменения частоты внутри импульса от времени.
Описанный метод имеет много недостатков. К их числу можно отнести следующие: необходимость иметь набор перестраиваемых резонаторов, зависимость точности измерений от добротности резонатора, влияние скорости изменения частоты на форму резонансной кривой и др.
Рис. 2. Верхний график – форма сигнала с детекторной секции (пунктир – при отстройке резонатора); нижний график - изменение частоты внутри импульса; fрез – резонансная частота перестраиваемого резонатора.
1. Принцип измерения частоты интерференционным методом
Рассмотрим короткозамкнутый волновод прямоугольного сечения. СВЧ импульс (волна Н10), распространяясь вдоль волновода, отражается и распространяется в обратном направлении, образуя стоячую волну. Нас будет интересовать разностный сигнал в окрестности узла напряженности поля Ey.
Рис. 2
Запишем поле на расстоянии z от короткозамкнутого конца. Будем считать, что сигнал узкополосный и постоянная распространения постоянна в области существования спектральной плотности сигнала, а в волноводе имеется небольшое затухание d. В этом случае мы будем иметь
где:w0 – несущая частота; j(t) – фаза; t - запаздывание сигнала (t = gz / w0); g(w) – постоянная распространения; d - затухание в волноводе.
Если бы мы имели монохроматический сигнал, то при малом затухании в волноводе амплитуда была бы равна
В окрестности узлов напряженности поля при gz = np мы будем иметь резонанс с эквивалентной добротностью Q = (2p / λволнd)2 ; где λволн - длина волны в волноводе.
Отметим, что добротность не зависит от длины z, т.е. от расстояния между узлом напряженности и коротко замыкающей стенкой в волноводе (или от n).
Пусть w = w0 + Dw, тогда мы должны искать новый минимум напряженности поля, который будет отстоять от прежнего на некотором расстоянии. Новый минимум достигается при условии
Для малых отклонений от частоты w0 это
соотношение принимает вид 
.
Следовательно, изменение частоты равно
Удобство этого метода измерений в том, что изменение частоты пропорционально изменению длины от узла напряженности и не зависит от других параметров при фиксированной частоте w0. Разрешающая способность возрастает с ростом номера n.
Рассмотрим теперь случай, когда мы имеем дело с импульсом, частота которого зависит от времени.
Разлагая Ey (t - t) и j (t - t) в ряд по степеням t
и учитывая, что Wt << 2p, получим
где W (t) = ¶j / ¶t << w0 – отклонение от несущей частоты внутри импульса от времени. Как можно видеть, резкое изменение напряженности поля на фронтах порождает эффект аналогичный увеличению затухания в волноводе. Сразу же отметим, что изменение амплитуды практически не влияет на смещение точки отсчета частоты от истинного значения. Как показывают подсчеты, в реальных случаях это не приводит к заметному ухудшению добротности.
Значение частоты отсчитывается
по минимуму напряженности электрического поля. Этот минимум достигается при
условии 
. Отсюда можно получить выражение для мгновенного значения
частоты внутри импульса, которое аналогично выражению, полученному ранее
2. Практическая реализация метода
Описанный метод измерения мгновенного значения частоты с успехом использовался при анализе структуры сигнала, при настройке СВЧ импульсных генераторов, при исследовании областей внутри импульса, связанных с генерацией внеполосных излучений и других задачах Практическая реализация метода имеет особенности, которые мы сейчас рассмотрим.
Стандартная блок-схема измерений представлена на рис. 3.
Рис. 3.
Она содержит измерительную линию, подключенную к осциллографу, с помощью которой производится непосредственное измерение частоты заполнения СВЧ импульса, узкополосного согласующего устройства, фиксированного аттенюатора (10 – 15 дб) и переменного аттенюатора для регулировки мощности. Осциллограмма напоминает фигуру, изображенную на рис. 1.
Введение звена из согласующего устройства и фиксированного аттенюатора необходимо по следующей причине. Сигнал, отраженный от кз стенки, может вторично отразиться от переменного аттенюатора и вызвать ошибки измерений. При включении звена отраженный сигнал проходит к переменному аттенюатору без отражений, но с ослаблением. Если от него теперь сигнал вновь отразится, то он ослабнет еще раз ослабится и уже не вызовет существенных искажений при измерениях. Обычно согласование осуществляется со стороны кз стенки до проведения измерений. При проведении практических измерений оказалось, что при имеющейся погрешности приборов и при малой величине отражений от фиксированного аттенюатора можно обойтись узкополосным согласованием.
Расстояние от кз стенки до измерительной линии определяет число полуволн, укладывающихся на этом расстоянии. При большом их числе возрастает разрешающая способность прибора. Однако следует помнить, что соотношения выведены для условия, что спектр «умещается» вблизи узла напряженности поля. Чрезмерное увеличение n может привести к дополнительным ошибкам измерений мгновенной частоты.
1970 г.