Погрешность волномера складывается из погрешности, связанной с неточностью выполнения резонатора, температурной погрешности, погрешности настройки в резонанс, а также погрешности от-счетной и микрометрической системы.

Приведем некоторые соотношения между геометрическими размерами резонатора и длиной волны для различных типов волн. Решение основных уравнений электромагнитного поля в резонаторах приводит к выводу, что собственные колебания в объемных резонаторах, имеющих форму параллелепипеда, определяются равенством;

/ 2 \2 (т /г \ , (

(2.1)

где а, Ъ, 1 ширина, высота и длина параллелепипеда,

ffi р - целые числа, определяющие число полуволн, укладывающихся иа протяжении соответствующих размеров.

Для волны Яюь например, в кубическом резонаторе, для которого а = Ь = 1,

I = У 2а.

При Х = 1 см, а = 0,7\ см.

В случае цилиндрического резонатора резонансные длины волн выражаются:

(2.2)

2A-„.

/ / \

где т, п, / - число периодов по углу число полупернодов, укладывающихся по радиусу и по длине соответственно;

- л-ый корень /„{х) = 0 (для воли Н); Х„~ л-ый корень /„{х) = 0 (для волн Е); 1т{х) -функция Бесселя первого рода; f{x) -производная функции Бесселя первого рода; L - длина резонатора; D -диаметр резонатора. Тогда для волны Ет, например, Х = 2,405 получим:

Х = 2,61-. При >. = 1 см.

D=0,78 см.

Из этих примеров видно, что резонаторы для миллиметровых волн отличаются малыми размерами. Малые размеры элементов волиоводного тракта миллиметрового диапазона и необходимость выполнения их с жесткими допусками представляют определенную трудность при изготовлении этих деталей.

Перемещение элементов настройки должно быть очень плавным. Механизм перемещения и шкала должны обеспечивать более

высокую точность отсчета перемещений по сравнению с волномерами сантиметрового диапазона.

При конструировании резонансных волномеров с объемными резонаторами следует также учитывать многочастотность, выражающуюся в том, что при одном и том же положении настройки могут выполняться условия резонанса для различных типов волн. Этот факт удобнее учесть, пользуясь так называемыми диаграммами дл настройки резонатора. Для круглого цилиндрического резоиа-

о а, /а -- .s 4о

Рис. 14. График для различных типов колебаний в объемном резонаторе.

тора может быть построена диаграмма, которая связывает значе-в« резонансной частоты для каждого типа волн с его размерами (рис. 14).

Из рассмотрения рис. 14 ясно, что каждое значение fD соответ-сioyer нескольким типам колебаний, если не ограничивать работу

WbKo на волнах типа Ял„, со значением

чем 0,82.

25,4.10*

, меньшим.

Если бы м ног 04 а сто гное ть была единственным критерием для расчета, то все волномеры должны были бы конструироваться для работы на волнах типа Hj, Действительно, такие волномеры используют для частот меньших 25 ООО Мгц. Однако наибольшая добротность Q достигается для волн не типа Нц, а типа Ну,.

Известно, что точность волномера определяется прежде всего величиной Q резонатора.

Резонаторы иа тип волны Н, имеют очень высокое Q. Более того, при волнах этого типа нет аксиальных токов и поэтому нет необходимости делать дроссельные поршни. Это свойство можно использовать для подавления волн нежелательных типов, если сделать поршень бесконтактным, а позади него поместить кольцо из порошкового железа с тем чтобы поглотить излучение, проникаю-ш,ее за поршень.

Добротность посеребренного волномера с волной типа Нц на

частоте 25 ООО Мгц при отно-

2 2

шении ~ = 2 равна 17ООП,

или в два раза больше, чем при работе иа волне Нуу. Для волн типа харак-

терно совпадение их резонансных частот вследствие вырождения с резонансными частотами волн типа Е-, возбуждаюш,ими аксиальные токи и, следовательно, сильно затухаюш,ими. Правильно сконструированнЕя связь с помош,ью диафрагм не возбуждает волн типа но они могут возникнуть вследствие перекрестной связи, если полость ие вполне симметрична, например, если плоскость поршня не точно перпендикулярна оси цилиндра или зазор между поршнем и цилиндром неоднороден. Перекрестная связь уменьшает значение Q для волн типа Н,,, На рис. 15 приведена схема цилиндрического волномера, работающего на волне типа Hq,„.

В таблице приведены данные о размерах диаметров цилиндра объемного резонатора и диаметра отверстия связи для перекрытия диапазона от 5 до 11 мм.

Градуировочные кривые можно подсчитать с помощью уравнения (2.2) или получить в результате градуировки по более точным приборам (например, гетеродинным частотомерам).

Рис. 15. Конструкция волномера с цилин дрическим резонатором на волну

Волновод. 2. Контактные фланцы. S. Крышкя-4. Диафрагмы связи. ,5. Поишень 6". Кольцо для по давления нежелательны! -ипов волн. Цилинло-8. Микрометрическая головка.

§ 2. Гетеродинные частотомеры

Наиболее высокая точность измерения частоты достигается при помощи гетеродинных измерителей. В гетеродинных измерителях частоты используются различные методы сравнения измеряемой частоты с частотой высокостабильного источника, погрешностью которой и определяется в основном точность частотомера. При ;рЬспользовании стабилизации частоты с помощью линий поглоще-«ия некоторых газов, например, аммиака, можно получить высоко-стабильиый источник миллиметровых волн и измерить частоту с :высокой точностью.

Гетеродинные измерители частоты в большинстве случаев громоздкие и сложные приборы как в производстве, так и в управлении при эксплуатации, и применяются в тех случаях, когда другие методы не обеспечивают нужной точности. Существует несколько способов сравнения измеряемой частоты с образцовой: метод нулевых биений, интерполяционный, последовательного уменьшения частоты и др.

Не останавливаясь на этих методах, известных из техники более длинноволновых измерений, рассмотрим приведенную иа рис. 16 блок-схему гетеродинного частотомера, предназначенного для измерения частоты порядка 25 000 Мгц с точностью до 5- 10*" %.

Генератор сигнала IS возбуждает колебания в отрезке волновода 7. В поперечную коаксиальную линию 5 введен кристаллический .детектор 3. В коаксиальную линию поступают также колебания от вспомогательного генератора /, работающего на клистроне на частоте около 3000 Мгц. Частота вспомогательного генератора измеряется с помощью гетеродинного частотомера 2, имеющего точность намерения 1-10-%. Биения сигналз с 8-й или 9-й гармоникой вспомогательного генератора детектпр\ются кристаллом и поступают в усилитель промежуточной частоты 10, имеющий на выходе детектор и микроамперметр. Постоянная слагающая тока высокочастотного детектора указывается прибором 8. Усилитель имеет tteiL каскадов усиления. Полное его усиление равно 90 дб; резо-наадная частота 45 Мгц. Шиокна полосы пропускания связана со (обильностью клистрокного генератора сигнала. При наилучших условиях, т, е, при оеиь устойчивом источнике питания и постоян-

ной температуре, изменение частоты генератора за 12-минутный период равно 1Т0 %, т. е. 2,5 jMeif. Соответствующая этому полоса усиления ограничивает точность измерения частоты цифрой 5Т0

Рис. 16. Блок-схема гетеродинного частотомера для частот порядка 25 000 Мга,.

§ 3- Атомные и молекулярные эталоны частоты

Точность измерения частоты ограничивается стабильностью частоты эталонного генератора. Существующие в настоящее время первичные эталоны частоты представляют собой тщательно изготовленные кварцевые генераторы, работающие обычно в диапазоне от 50 до 100 кгц с термостатированным кварцем п стабилизированными источниками питания. Нестабильность частоты группы кварцевых генераторов, образующих государственный эталон частоты СССР, непревыщает 2-3-10-9.

Путем умножения частоты от эталонных и образцовых кварцевых генераторов можно полчить эталонные и образцовые частоты вплоть до диапазона миллиметровых волн.

В установке для получения образцовых частот типа «Авангард» путем умножения частоты от термостатированного кварцевого генератора выделяются образцовые частоты с погрешностью не свыше б.Ю-* до длины волны 6 мм.

За последние годы разработаны атомные и молекулярные эталоны частоты, дающие возможность получать реперы частоты, основанные на поглощении микрорадиоволн в газах или эталонные частоты высокой стабильности (с погрешностью до IQ-.

Для этой цели используются квантовые переходы в молекулах аммиака (частота наиболее интенсивной резонансной линии 23 870,1 Шгц, вто соответствует длине волны около 12,5 мм) или атомах цезия (резонансная частота 9192,6 Мгц).

Воспроизведение единицы частоты с помощью поглощения миллиметровых волн в аммиаке. Резо-«аш;ное поглощение электрОмагнитных волн длиной волны 12,5 мм в аммиаке было первым использовано для стабилизации частоты. Это объясняется большой интенсивностью и высокой добротностью спектральной линии поглощения аммиака с квантовыми числами 1 =3, К = 3, частота которой мало зависит от внешних условий, и определяется атомными постоянными.

Цоетому, если измерить частоту линии поглощения с надлежащей точностью и приписать ей некоторое значение, то эта линия может быть применена в качестве репера частоты. Сравнивая с этой частотой частоту кварцевого генератора (его гармонику), можно определить ее значение. Кроме того, можно осуществить автоматическую систему подстройки частоты кварцевого генератора по линии поглощения.

Рйс. 17. Блок-схема устройства для стабилизации частоты с помощью линий поглощения аммиака.

На рис. 17 приведена упрощенная блок-схема установки для воспроизведения единицы частоты с помощью линии поглощения 5- аммиака. Частота fo кварцевого генератора / с помощью так взываемого расщепителя частоты 2 превращается в две: fo + Af и /о-Af, существующие раздельно во времени. Эти частоты проходят череасистему умножения 3, увеличивающую частоту вплоть до частоты поглощения аммиака ( - 23 870 Мгц). В результате умножения х поглощающей ячейке 4, наполненной аммиаком, поочередно будут подводиться сигналы частот fi = n{fo + Af) и /2 «(fo-Af). Сооиетствующей настройкой расщепителя можно добиться того, тао частоты fi и /2 будут отличаться друг от друга на величину, Щншврно равную ширине линии поглощения в области макси-ЩЩтой крутизны.

Вези частота кварцевого генератора, умноженная на коэффи-ВДвВ" умножения системы, равна частоте, соответствующей вершине ИЮГ поглощения f = nfo, то частоты fi и будут расположены сим-trno по обе стороны вершины кривой и производимые ими [""Цады на выходе детектора-усилителя 5 будут обладать равны-«шлитудами. При этом дискриминатор 6, реагирующий на раз-амплитуд, выработает сигнал ошибки, равный нулю.