Афонін І. Л., Лук’янчук Г. А., Плоткин А. Д., Саламатін В. В. Севастопольський національний технічний університет Севастополь – 99053, Україна Тел.: (0692) 235108, e-mail: RT.SevGTU @ stel. sebastopol.ua

Анотація – Розглянуто метод вимірювання добротності об’ємних резонаторів, заснований на використанні амплітудно-модульованого мікрохвильового сигналу з перебудовується частотою модуляції. Отримано співвідношення, зв’язує добротність резонатора з резонансною частотою і величиною смуги частот перебудови.

I. Вступ

Проектування і розробка вузькосмугових систем зв’язку в мікрохвильовому діапазоні пред’являє високі вимоги до точності вимірювання добротності виборчих систем. Цей параметр істотно впливає на енергетичні характеристики систем зв’язку та їх частотну вибірковість.

Класичний метод вимірювання добротності коливальних систем є непрямим і полягає у вимірюванні резонансної частоти / q і смуги пропускання коливальної системи 2Аf. Добротність визначається за формулою О = f0/ 2Д /, де

2Аf = fi – fi; fi і fi – граничні частоти смуги пропускання коливальної системи. Цей метод є досить простим і широко застосовується в діапазоні частот 0,1 … 100 МГц, з прийнятною для практики точністю.

У мікрохвильовому діапазоні частот, де значення добротності резонаторів біжучої хвилі і об’ємних резонаторів стоячій хвилі мають порядок 104, А резонансна частота має порядок – одиниці, десятки гігагерц, класичний метод не може бути використаний для визначення добротності через велику похибки вимірювання смуги пропускання, а отже і добротності. Наприклад, при резонансній частоті ^) = Ю ГГц і добротності 0 = 104,

розрахункове значення смуги частот 2 / У становить

10е Гц. Якщо нестабільність частоти генератора буде дорівнює 10 ‘3, То абсолютна похибка вимірювання смуги пропускання на порядок перевищує саме значення цієї смуги, отже, і відповідної буде похибка вимірювання добротності резонатора.

II. Основна частина

Пропонований метод вимірювання добротності заснований на використанні амплітудно-модульованого (AM) сигналу, частоту модуляції якого можна перебудовувати [1,2].

Функціональна схема вимірювача представлена ​​на малюнку 1, на якому прийняті наступні позначення: 1 – генератор низької (модулирующей) частоти; 2 – генератор мікрохвильового діапазону (ГМД);

3 – частотомір, 4 – резонатор хвилі, що біжить, 5 – детектор; 6 – індикатор; Гсн – Узгоджена навантаження.

Принцип роботи вимірювача полягає в наступному. Коливання генератора мікрохвильового діапазону модулюються по амплітуді і, AM сигнал надходить на резонатор. Сигнал з виходу резонатора детектируется і, отриманий низькочастотний сигнал, надходить на індикатор. AM сигнал на виході ГМД має вигляд:

де Aq – амплітуда несучого коливання; М – коефіцієнт модуляції; сприяння з = 2трд ‘несуча частота ВЧ коливання; ср ^ і <1 ^ – початкові фази ВЧ і модулюючого коливання відповідно; Q, = 2kF – частота модуляції.

де A ^ COq) – модуль коефіцієнта передачі резонатора на резонансної частоті; k (G> o ~ Q), A ^ COq + Q) –

модулі коефіцієнтів передачі резонатора на нижній і верхній бічних частотах AM сигналу відповідно; \ | / – фазовий зрушення, внесений резонатором на бічних частотах.

Нормована амплітудно-частотна характеристика резонатора і спектр AM сигналу на його виході представлений на малюнку 2. Множення амплітуд бічних складових спектра на можна розглядати як зміна коефіцієнта модуляції, який стає рівним М \ = k (® Q ± Q) A /. Після квадратичного детектування і виділення фільтром низькочастотних складових спектра, отримуємо сигнал на виході детектора:

де С – коефіцієнт степеневого ряду; Rн – Опір навантаження детектора; Цп – Амплітуда напруги

несучої частоти.

Якщо на виході індикатора використовується селективний вольтметр, налаштований на другу гармоніку частоти модуляції, то показання вольтметра мають вигляд де к – коефіцієнт, що враховує опір навантаження детектора, коефіцієнт степеневого ряду, коефіцієнт посилення підсилювача індикатора.

Методика вимірювання добротності резонатора полягає в наступному. Встановимо настільки низьку частоту модуляції F, щоб бічні складові спектра сигналу були близько розташовані до несучої (50 … 100 Гц). Налаштуємо ГМД на резонансну частоту fo по максимуму показань індикатора і визначимо за допомогою частотоміра резонансну частоту / q.

Коефіцієнт модуляції М \ в цьому режимі дорівнює одиниці. Тоді, відповідно до (1) показання індика-

2

тора в цьому режимі одно U \ = kUm.

Будемо збільшувати частоту F генератора НЧ. При цьому бічні складові спектра AM сигналу будуть віддалятися від несучої частоти Jq (рис. 2) і

коефіцієнт модуляції на виході резонатора буде зменшуватися. Перебудову частоти будемо проводити до тих пір поки рівень бічних складових спектра не стане дорівнює М \ = 0,707. При цьому показання вольтметра індикатора відповідно до

(1) дорівнюєа відношення

цих напруг – jV = L ^ / t / j = 0,5.

При цьому перебудова частоти припиняється і частотоміром вимірюється значення частоти модуляції F \. Добротність резонатора визначимо з виразу

Аналіз похибки вимірювання розглянутого вимірювача показав, що при використанні елект-ронно-рахункового частотоміра і генераторів з відносною нестабільністю частоти 10 ‘3 вона не перевищує 0,1%. Розглянутий метод дозволяє автоматизувати процес вимірювання.

III. Висновок

Розглянута методика вимірювання добротності резонаторів широко використовується в лабораторному практикумі з дисципліни «Електродинаміка та РРВ» на кафедрі радіотехніки СевНТУ.

IV. Список літератури

[1] Вимірювач добротності резонаторів / Плоткин А. Д., Афонін І. Л., Гімпілевіч Ю. Б., Саліцкій В. Б. – Бюл. № 20, С. 4.

[2] Вимірювач добротності коливальних систем / Труш-кін А. Н., Плоткин А. Д., Афонін І. Л. – Бюл. № 9, С. 7.

Q-FACTOR MEASUREMENT OF ROLL-WAVE RESONATOR

Afonin I. L., Lykjanchuk G. A.,

Plotkin A. D., Salamatin V. V.

Sevastopol National Technical University Sevastopol – 99053, Ukraine E-mail: RT.SevGTU@stel.sebastopol.ua

Abstract – The method of q-factor measurement of cavity resonator, based on using amplitude-modulated microwave signal with tunable frequency of modulation was examined. The ratio connecting q-factor of the resonator with resonant frequency and size of frequencies tuning band of reconstruction is received.

I.  Introduction

Designing and development of bandlimited communication systems in a microwave range demands much of accuracy of q- factor measurement of selecting systems.

II.  Basic part

From the microwave generator the amplitude-modulated signal comes to the resonator in which each spectral component is multiplied by transfer ratio which module depends on frequency. Multiplication of amplitudes of lateral components of a spectrum to the module A'(cd0 +Q can be examined as changing

of modulation factor M that becomes equal Л / j = A ‘(cd0 +Q)A/,

where cd0 – carrier frequency radio-frequency oscillation; D.=2nF –

modulation frequency.

After square-law detecting, allocation by the filter of low- frequency components of a spectrum and indication of a signal by the selective voltmeter adjusted on the second harmonic, in-

2 2

dications of the voltmeter look like U = А’Ц “М1 , Where до – the

factor which is taking into load resistance of the detector, factor of power series, amplification factor of the amplifier of the indicator. On resonant frequency /0 and F = 50…100 Hz,

A/j =1 and the indication of the indicator C/j maximum –

2

Ui =kUm . Frequency tuning of modulation F is carried out

2

until indications of the voltmeter becomes equal t/2 =0,5kUm . Q-factor of the resonator is defined from expression О = f $ / 2F.

The accuracy of q-factor measurement does not exceed 0.1 % at use of generators with relative instability of frequency 10′3.

III.  Conclusion

The examined technique of Q-factor measurement of resonators is widely used in a laboratory practical work on discipline «Electrodynamics and RWP» on department of Radio-engineering of the Sevastopol National Technical University.

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