Согласование на тракте измерительной установки с открытым резонатором в диапазоне 78–118 ГГц

1. Введение

С развитием электроники и вычислительной технологии, в настоящее время использование сверхвысокочастотных (СВЧ) аппаратов с компьютерным вычислением становится много более легким и популярным. В области исследования свойств материалов, в том числе диэлектриков, открытый резонатор (ОР) на СВЧ диапазоне применяется с помощью скалярного анализатора цепей Р2М, подключенного с компьютером. Однако в СВЧ диапазоне, несогласование часто происходит при соединении элементов измерительных трактов. В данной работе исследовано несогласование волноводного детектора со скалярным анализатором.

2. Исследование свойств открытого резонатора на СВЧ диапазоне было проведено в 60-ых годах с интерферометром Фабри-Перо. Установка ОР оказана удобным измерительным инструментом с высокой точностью для определения диэлектрических свойств малопоглощающих материалов на миллиметровом диапазоне [1–2]. Используя теорию Гаусовских пучков, Cullen и Yu анализировали систему ОР и измеряли комплексную проницаемость диэлектриков в виде плоской пластинки [3].

При рассмотрении распределения амплитуды и фазы первоначально плоской волны с её многократными последовательными проходами через резонатор, Американские исследователи А. Фокса и Т. Ли в 1960–1961 гг. предоставили наглядную картину формирования собственных мод открытого резонатора. С анализом множества результатов, получаемых для открытых резонаторов типа интерферометра Фабри-Перо (прямоугольные плоские зеркала, круглые плоские зеркала), а также для конфокальных сферических и параболических зеркал, в своей работе Фокса и Ли описали несколько свойств резонаторов как:

Открытые резонаторы характеризуются дискретным набором колебательных мод. Кроме этого, однородные плоские волны не являются нормальными модами открытых резонаторов

Электромагнитные волны, которые распространяются в пространстве между зеркалами, являются ТЕМ волнами. Эти типы волн соответствуют собственным модам резонатора, почти полностью поперечны. Моды более высокого порядка имеют более высокие дифракционные потери, чем основная мода.

Для основной моды амплитуда поля сильно уменьшается к краям зеркала. Поэтому её дифракционные потери, которые много меньше предсказываемых на основе представления об однородных плоских волнах и в реальных ситуациях, пренебрежимо малы.

Известный вариант открытого резонатора является двухзеркальным вогнутым резонатором. В сантиметровом диапазоне электромагнитных волн, он считается высокодобротным квазиоптическим. Данный резонатор образуется круглыми вогнутыми зеркалами, расположенными вдоль полярной оси, одно против другого. Два зеркала имеют одинаковые параметры с радиусом . Расстояние между отражателями (зеркалами) больше радиуса кривизны . В объеме резонатора возможны стоячие волны если размеры резонатора и длина волны, распространяющейся в пустой части резонатора, удовлетворяются условиям [3]:

(q — целое число, , а )

Спектр резонансных частот основного колебания пустого резонатора [4] определяется как

,

Где  — радиус кривизны зеркал,  — расстояниями между центрами зеркал,  — диэлектрическая проницаемость окружающей среды, в этом случае воздух.

3. Схема установки

Установка 78.33 -118.1 ГГц включает в себя: персональный компьютер, измеритель модуля коэффициентов отражения и передачи Р2М-18, усилитель мощности, два последовательно соединенных умножителя частоты на 3, измерительный двухзеркальный ОР, поляризационный аттенюатор АП-20 и полупроводниковый детектор КДВ-118. Измерительный тракт собран на основе прямоугольного волновода сечением 2,4 х 1,2 мм. Измеритель Р2М-18 используется как синтезатор частоты в диапазоне 12–20 ГГц и интерфейс между детектором и компьютером.

СВЧ сигналы, получаемые из анализатора, поступают в умножители частот. Излучательный рупор подключен к двум умножителям частот с коэффициентом умножения на 2 и 3, между которых помещается усилитель мощности.

Рис. 1:Структурная схема экспериментальной установки в диапазоне частот от 78,33 ГГц до 118,1 ГГц

Резонатор с двумя зеркалами показан на рисунке. Часть волны проходит к противному рупору, остальная часть отражается пленкой и создается явление стоячих волн между зеркалами. Полученные волны принимается приемным рупором и вступают в детектор.

4. Согласование работы детектора с анализатором

4.1.Волноводный детектор КДВ 78,33–118,1 ГГц, поляризационный аттенюатор АП 20 и параметры анализатора Р2М-18

Низкобарьерные широкополосные детекторыКДВ 78,33–118,1 ГГц применяются в качестве датчиков мощности и для специальных целей. Используются в системе автоматической регулировки мощности, в генераторах сигналов и синтезаторах частот, в приемных устройствах для выделения низкочастотной огибающей высокочастотного сигнала, в панорамных и импульсных измерениях.

Рис. 2 Волноводный детектор КДВ 78,33–118,1 ГГц

Таблица 1

Параметры детектора КДВ 78,33–118,1 ГГц

Тип детектора	Диапазон частот, ГГц	Входной волновод, мм	Чувствительность по напряжению, при Рвх= –20 дБм, мВ/мВт:		Типичное сопротив­ление нагрузки, МОм	Макси­мальная входная мощность, дБм
			Типич.	Минималь.
KДВ-118	78,33–118,1	2,4x1,2	1500	700	1	14

Рис. 3:Поляризационный аттенюатор АП 20

Поляризационный аттенюатор АП 20 предназначен для калиброванного изменения ослабления СВЧ-сигнала в волноводных трактах миллиметрового диапазона волн в условиях цехов, лабораторий и поверочных центров. Прибор соответствует требованиям ГОСТ 22261–82 в части метрологических характеристик. Прямоотсчетные аттенюаторы серии DAXXR являются аттенюаторами поляризационного типа, величина ослабления зависит от угла поворота резистивной пластины. Конструкция прибора обеспечивает минимальную частотную зависимость характеристик аттенюатора. Аттенюаторы АП20 работают в диапазоне частот от 78.33 до 118.1 ГГц. Малые изменения фазового сдвига, низкий КСВН, малые потери и высокая точность установки ослабления обеспечивают точные измерения в миллиметровом диапазоне длин волн.

Таблица 2

Параметры поляризационного аттенюатора АП 20

Точность установки ослабления	±0.2дБ для A=0÷10дБ; ±0.02·A для A=10÷50дБ; ± [1+0.08·(A-50)]дБ для A=50÷60дБ
Диапазон ослаблений	0 ÷ 60 дБ
Максимально допустимая входная мощность	0.1 Вт (среднее значение)
Размеры волновода	2,4x1,2

Скалярный анализатор Р2М-18 назначается для Разработки, настройки и производство пассивных и активных СВЧ устройств в коаксиальном тракте: фильтров, диплексеров, аттенюаторов, делителей мощности, кабельных сборок, усилителей, смесителей, умножителей, делителей частоты и т. д. В данной работе анализатор Р2М-18 работает в режиме измерения измерение модуля коэффициента передачи.

Таблица 3

Параметры скалярного анализатора Р2М-18

Параметр	Р2М-18А
Диапазон рабочих частот	10 МГц... 20 ГГц
Дискретность установки частоты, Гц	1
Пределы допускаемой относительной погрешности установки частоты
Дискретность установки мощности, дБ	0,1
Пределы допускаемой погрешности установки уровня выходной мощности, дБ (в пределах)	±1,5(-55..-20) ±1,0 (-20..+13)
Диапазон измерения мощности, дБм	-55... +13
Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерений модуля коэффициента передачи, дБ	±(0,02x|А|+0,2)
Пределы допускаемой погрешности измерений мощности, дБ	±1,0

Примечание: А — измеренные значения модуля коэффициента передачи.

4.2.Характеристика детектора

При исследовании спектра резонансов на широком диапазоне частот от 78 до 118 ГГц, начальные результаты измерения добротностей и резонансных частот оказываются нестабильными [5]. Во-первых, причины заключаются в том, что измерительные среды открыты или неизолированы. В комнатном условии, параметры среды, например, влажность, температура и давление воздуха не только влияют на габаритные размеры резонатора, но и энергетический процесс, происходящий во время измерении. Во-вторых, несогласование в измерительном тракте действует на отображаемые компьютером результаты, в том числе несогласование детектора со скалярным анализатором.

Рис. 4: Характеристика детектора КДВ -118 по сравнению с анализатором Р2М

Простая проверка характеристики детектора осуществлена путем измерения коэффициентов передачи тракта (без резонатора) с разными уровнями поглощения и сравнивать получаемые результаты с отображаемыми программой значениями.

На рисунке 4 показана характеристика детектора КДВ -118 при работе с Р2М. Точечная линия иллюстрирует идеальные результаты согласования, в котором каждое добавленное значение в поглощение аттенюатором соответствует, или можно сказать, равно значению, отображаемому программой скалярного анализатора Р2М. Практическая характеристика изображается непрерывной, сплошной линией.

Чтобы защищать работу детектора, нагрузка поставлена; однако искажение АЧХ и несогласование детектор — анализатора не устраняются. Поляризационный аттенюатор используется для поглощения энергии, следовательно влияние явления переотражения между приемным рупором и детектором уменьшается. В начале поляризация делительной пленки фиксируется, например, пленка поляризуется перпендикулярно поверхностного электрического поля в центр резонатора. Поглощение добавляется аттенюатором степенно на 1,25дБ;3дБ;6дБ;9дБ;12дБ; в каждом случае калибруем процесс измерения коэффициента передачи и запишем добротности резонанса на разных уровнях поглощения.

В таблице 4 представляются результаты измерения резонансных частот и добротностей соответственно.

Таблице 4

Резонансные частоты и их добротности на разных уровнях поглощения

№					Поглощение (дБ)
1	81.394851	151300	81.394081	145500	0
2	81.394850	151145	81.394086	141690	1.25
3	81.394912	147800	81.394094	147300	3
4	81.394915	148000	81.394122	141180	6
5	81.394900	144700	81.394122	159460	9
6	81.394884	163000	81.394123	156732	12
7	81.394877	163900	81.394174	159290	12
8	81.394896	164000	81.394201	163400	9
9	81.394849	164000	81.394177	166250	6
10	81.394851	167000	81.394169	167500	3
11	81.394853	165400	81.394186	169000	1.25
12	81.394853	164900	81.394175	168000	0

(Обозначения и соответствуют перпендикулярной и параллельной поляризациям пленки)

По нумерации от 1 до 6 выражены значения частот резонансов и добротностей в процессе добавления поглощения постепенно. Остальные результаты соответствуют уменьшению поглощения аттенюатором. Между 6 –ой и 7-ой результатами, резонатор был настроен (пленка реализована) и программа Р2М Graphit была калибруема.

Рис. 5: Зависимости добротностей резонанса от степеней поглощения аттенюатора при перпендикулярной (левый график) и параллельной (правый график) поляризациях пленки

По графикам замечается, что при работе с аттенюатором, добротности заметно увеличиваются. В обратном процессе при снятии поглощения аттенюатором, добротность ОР становится больше и более стабильной.

5. Заключение

-          Детектор не согласуется с анализатором Р2М-18 и следовательно происходит искажение резонансных кривых при использовании приложенной программы анализатора.

-          Устранение несогласования предлагается помещением аттенюатора поглощения, в результате которого добротности резонансных частот улучшаются со стабильностью. Возможен использоваться полученный спектр резонансных частот пустого открытого резонатора в широком диапазоне для исследования поглощения в атмосфере, зависимостей результатов измерений от элементов тракта, свойств пленки-отражателя, диаметра зеркал и расстояние между ними.

Литература:

1.         Jones, R. G.: Precise dielectric measurements at 35 GHz using an open microwave resonator. Proc. IEE 123,1976, № 4, pp.285–290.

2.         Lynch, A. C.: Measurement of permittivity by means of an open resonator, II. Experimental, Proc. Roy. Soc. London A380, 1982, pp.73–76.

A.       L. Cullen and P. K. Yu, “The accurate measurement of permittivity by means of an open resonator,” Proc Royal Soc. London, Ser. A., vol. 325, pp. 493–509, 1971.

3.         Егоров В. Н. Резонансные методы исследования диэлектриков на СВЧ//ПТЭ, 2007, № 2, С. 5–38.

4.         Нонг Куок Куанг. Измерение свойств диэлектриков в открытом резонаторе на частотах от 95 до 176 ГГц. Вестник ИрГТУ, 2013, № 3, с. 95–99..