Скрипник Ю. А., Яненко А. Ф., Шевченко К. Л. Київський національний університет технологій та дизайну вул. Немировича-Данченка, 2, Київ – 01011, Україна Тел.: 38 (044) 2562993; e-mail: autom@i.com. і а

Material

Return Loss Sn (dB)

Insertion

Loss

Si2(dB)

APBN rectangular rods (without coating)

-19.62

0.0

Carbon-coated rod #1

-19.64

-2.9

Carbon-coated rod #2

-11.60

-4.8

Carbon-coated rod #3

-11.83

-4.3

Alumina cylindrical rod

-20.83

0.0

Iron-coating

-13.73

-3.9

Nickel-coating

-17.00

-2.4

Анотація – Розглянуто структуру вимірювача частотних расстроек СВЧ резонансних датчиків, що забезпечує підвищення точності вимірювань за рахунок виключення впливу нестабільності елементів вимірювального тракту та зміни добротності резонатора при його взаємодії з досліджуваним матеріалом.

I. Вступ

Надвисокочастотні резонансні датчики широко використовуються при контролі діелектричної проникності, вологості, товщини і інших параметрів діелектричних матеріалів. При взаємодії резонансного датчика з досліджуваної середовищем відбувається зміщення положення резонансної кривої на частотної осі. Про величину контрольованого параметра судять за зсувом резонансної частоти взаємодіє з середовищем резонатора.

II. Основна частина

Найпростіший спосіб оцінки частотної розладу резонансного датчика полягає в тому, що частоту генератора, збудливого резонатор, вибирають такий [1], що б при зсуві частоти резонансу вона залишалася на одному із схилів резонансної кривої датчика. При вимірах реєструють різницю амплітуд СВЧ коливань, детектіруемих амплітудним детектором при порожньому і навантаженому середовищем резонансному датчику. Амплітуда детектіруемих коливань у підсумку визначається розладом частот резонатора і збудливого генератора. Однак, неминуче зміна добротності резонатора через внесених матеріалом втрат, нестабільність амплітуди СВЧ генератора і відсутність стабільного нуля в амплітудної схемою індикації резонансу не дозволяють забезпечити високу точність вимірювання, особливо при малих зрушеннях частоти.

Для вимірювання малих расстроек використовують хвилеводний трійник, в порожнині якого розміщений діелектричний резонатор [2]. СВЧ генератором, підключеним до трійника, збуджують резонатор, а два інших плеча волноводного трійника через спрямовані відгалужувачі пов’язують з амплітудними детекторами. Сигнали з виходів амплітудних детекторів подають на входи панорамного індикатора. При роботі СВЧ генератора в режимі розгортки частоти панорамний індикатор реєструє падаючі і відбиті від резонатора сигнали. При відсутності в датчику досліджуваного матеріалу схема калібрується так, що б рівні падаючої і відбитої хвиль при їх порівнянні давали нульовий результат. При зсуві частоти резонатора на виходах детекторів виникає різницеве ​​напруга, пропорційне розладі резонатора. Недоліками такої схеми є нестабільність і неіден-тичность характеристик спрямованих відгалужувачі і амплітудних детекторів, що призводять до нестабільності нуля і зниження точності вимірювань.

Авторами розроблена двохчастотна одноканальна схема вимірювання розладу частоти резонатора (рис. 1), що дозволяє підвищити точність вимірювання за рахунок виключення впливу нестабільності елементів вимірювального тракту та зміни добротності резонатора при взаємодії з досліджуваним матеріалом.

де Sx – Крутизна характеристики балансного модулятора;– Амплітуди перемножуєте сигналів і їх початкові фази; зз = З + Q – різницева і сумарна частоти; дох ,

k2, (Рь, (p4 – Коефіцієнти передачі фільтрів і вносяться ними фазові зрушення.

У подвійному волноводном трійнику U7 сигнали (1) і (2) складають і збуджують отриманим сигналом резонатор U10. Сигнали різницевої U P(T) і сумарною Uз (T) частот проходять через резонатор з деяким ослабленням.

Ослаблені резонатором сигнали UP(T) і Uc(T) надходять на перший вхід балансного змішувача U11. На його другий вхід через подільники потужності U5, U6 і СВЧ перемикачі U8, U9, керовані протівофазним імпульсами, надходять сигнали (1) і (2). В внаслідок змішування утворюються низькочастотні сигнали різницевої частоти 2Q і НВЧ сигнал сумарної частоти 2а>0.

При періодичної роботі СВЧ перемикачів U8 і U9 через смуговий фільтр Z3 проходять пакети низькочастотних сигналів, що мають частоту 2Q і

тривалість напівперіоду комутації

Ці пакети проходять через амплітудний детектор U13, на виході якого формуються імпульси, величина яких обумовлена ​​розладом частоти резонатора U10. Імпульси проходять через керований дільник напруги U14 і посилюються широкосмуговим підсилювачем А1. Низькочастотна огинає цих імпульсів посилюється виборчим підсилювачем А2, випрямляється фазочуттєві випрямлячем U15 і надходить на вимірювальний прилад Р.

При ненавантаженому резонаторі коефіцієнти передачі на бічних частотах рівні і вихідна напруга буде дорівнювати нулю при зміні параметрів будь-яких елементів вимірювальної схеми.

При взаємодії резонатора з досліджуваним матеріалом його власна частота зменшується і відбувається зсув смуги пропускання резонатора. При цьому зондуюче сигнал різницевої частоти залишається у межах смуги пропускання, а сигнал сумарної частоти виходить за її межі. В результаті на виході підсилювача А1 з’являється змінна складова напруги, пропорційна відносної розладі навантаженого резонатора. Для усунення впливу нестабільності параметрів елементів високочастотної частини схеми використана система автоматичного регулювання коефіцієнта посилення, що складається з генератора опорного напруги G2, диференціального підсилювача АЗ і інтегратора U16.

При використанні високодобротного резонатора надходить на вимірювальний прилад Р результуюче напруга U, пропорційне відносної частотної розладі резонатора, приводиться до виду

де КА2 – Коефіцієнт посилення підсилювача А2; U02

– напруга опорного джерела G2; ЛР – Відносна розладі резонатора на частоті тР .

Відповідно до виразом (3) показання індикатора 3 пропорційні відносній розладі резонатора, а коефіцієнт пропорційності визначається коефіцієнтами та й і помножувача U1 і дільника U2 частоти, стабільністю опорного напруги генератора G2 і коефіцієнтом підсилення підсилювача А2.

Таким чином, в розробленій авторами схемою результат вимірювання не залежить від втрат, що вносяться контрольованим матеріалом, зміни добротності резонатора, нестабільності амплітуд напружень (1), (2) і нестабільності параметрів високочастотних ланцюгів вимірювальної схеми. Завдяки цьому вдається в 3 … 5 разів знизити похибки вимірювання частотних расстроек СВЧ резонансних датчиків.

IV. Список літератури

[1] Sucher М., FoxJ. Handbook of microwave measurements.

Polytechnic press, John Wiley and sons, New-York, 1963.

[2] Брандт А. А. Дослідження діелектриків на НВЧ. – М.: Фізматгіз, 1963, С. 403.

INCREASE OF MEASUREMENT ACCURACY OF FREQUENCY MISTUNINGS OF RESONANT SENSORS

Skripnik Yu., Shevchenko K.

Kiev National University of Technologies and Design

2,     Nemirovicha-Danchenko St., Kiev – 01011, Ukraine Tel.: 38 (044) 2562993, e-mail: autom@i.com.ua

Abstract – The structure of a meter of frequency mistuning of the microwave of the resonant sensors providing rise of accuracy of measurements at the expense of exception of influence of instability of units of a measuring path and change of good quality of the resonator at its interaction with a researched material are considered.

I.  Introduction

Super high-frequency resonant sensors are widely used at the control of dielectric permeability, humidity, width and other parameters of dielectric materials. The value of the inspected parameter is analysed taking into account shift of resonant frequency of the resonator interacting with the environment.

II.  Main part

Authors develop the two-frequent one-channel circuit of measurement of mistuning of frequency of the resonator (Fig. 1), permitting to raise accuracy of measurement at the expense of exception of influence of instability of units of a measuring path and change of good quality of the resonator at its interaction with a researched material.

When using resonator quality factor, the resulting power acting on measuring instrument P is proportional to relative frequent mistuning of the resonator and leads to sort [3].

According to expression [3], indications of indicator Z are proportional to relative mistuning of the resonator, and the coefficient of proportionality is defined by coefficients and multiplier U1 and divider U2 of frequency, stability of basic power of generator G2 and an amplification factor of amplifier A2.

III. Conclusion

Thus, in the circuit developed by the authors the result of measurement does not depend on the losses brought by the inspected material, change of good quality of the resonator, instability of amplitudes of powers [1], [2] and instability of parameters of high-frequency chains of a measuring circuit. Due to this it is possible to lower errors of measurement of frequent mistuning of the microwave of resonant sensors in 3…5 times.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»