Главная страница  Индикаторы миллиметровых волн 

[0] [1] [2] [3] [ 4 ] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19]

при смещении частоты кварцевого генератора в ту или иную сторону от частоты вершины кривой поглощения равенство амплитуд выходных сигналов нарушится и дискриминатор выработает сигнал ошибки, пропорциональный по величине и знаку происшедшему смещению.

Прикладывая выработанный дискриминатором сигнал ошибки к управляющему элементу кварцевого генератора (при автоматической стабилизации), можно все время поддерживать его частоту вблизи значения, равного частоте линии поглощения (деленного на коэффициент умножения п).

При сличении частоты кварцевого генератора с линией поглощения следует изменять его частоту до получения нулевого сигнала ошибки.

Имеющиеся данные показывают, что в таких установках с по-

Молекулярный генератор с самовозбуждением обладает высокой стабильностью (нестабильность порядка lU--lO-") и моиохро-матячностью. что позволяет использовать этот генератор в качестве талона частоты.

Цезиевый эталон частоты. Цезиевые эталоны частоты основаны на использовании энергии, поглощаемой атомами цезия во время перехода атомов между двумя близко расположенными энергетическими уроВНями.

Эти переходы обнаруживаются при помощи метода атомного пучка на установке, прин-


потока

ципиальная схема которой приведена на рис. 19. Тонкий пучок атомов цезия, пвиучземый путем испарения в специально"! печи /, ВходитSoAcS. эметнруется в тщательно рЮреженное пространство, проходит через щель и фокусируется на проволочный детектор 5 с помощью неоднородных магнитных полей, создаваемых магнитами 2. К двум объемным резонаторам сЗ. через кото-

Рис- 19.

Принципиальная схема цезиевого эталона частоты.

Рис. 18. Принцвпиальная схема молекулярного генератора.

мощью линии поглощения в аммиаке можно получить эталонную частоту в диапазоне миллиметровых воли со средней квадратич иой погрешностью ряда измерений 1 -10~

Молекулярный генератор. Принцип действия молекулярного генератора, разработанного в Физическом институте Академии наук СССР, заключается в следующем.

Пучок молекул аммиака от источника (рис. 18) с помощью электростатического фокусирующего устройства направляется в объемный резонатор, настроенный на резоиансную частоту молекулярных переходов аммиака (для линии = 23 ЫО)ЬАгц). В резонаторе возбуждаются колебания за счет энергии индуцированного излучения молекул. Такое возбуждение колебаний возникает пот,-му,что молекулы будут излучать энергию под влиянием запасенной в объеме резонатора энергии, которая образовалась там ъ результате излучения молекул в предыдущие моменты времен!) Следовательно, компенсация энергии, излучаемой из объемного, р -зоиатора в волновод, производится за счет индуцированного изл\-чения активных молекул аммиака. При ширине спектральной л: НИИ, значительно меньшей ширины резонансной кривой объемиоп резонатора, частота, на которой работает молекулярный генератор, близка к частоте спектральной линии аммиака.

рые проходит пучок, прикладывается поле сверхвысокой частоты, свютветствующей резонансной частоте атомных переходов цезия. Щда эти частоты уравниваются, имеют место указанные перехо-&!• Влияние последних выражается в том. что изменяются магнитные моменты атомов цезия и атомы отклоняются от шроволочно-90 детектора.

В настоящее время созданы высокостабильные цезиевые атом-вке эталоны частоты, имеющие нестабильность не более 2-10~°.

§ 4. Интерференционный метод измерения длины волны

Как указывалось, в диапазоне миллиметровых волн размеры Жлноводов и объемных контуров становятся малыми, затухание их ЗИеличивается настолько, что точное измерение частоты с помощью шой техники радиоизмерений становится затруднительным, [ательно создание такой измерительной аппаратуры, предель-размеры которой не ограничивались бы длиной волны. При 1вЫшеиии частоты свойства радиоизлучения все более на-ринают свойства света. Поэтому вполне естественно использо-оптические методы измерения в диапазоне миллиметровых L Интерференционный метод является одним из таких оптиче-методов.

1к известно, при сложении двух колебаний А%\х\{Ы- х)



и л sin (ш - -f рХо), одинаковых по частоте и амплитуде, результирующее колебание

2А sin (ш - Зх -ь S.vo) cos

(2.3)

добудет иметь амплитуду 2 Л cos. Максимум амплитуды будет

при ~ = ki:, где А - произвольное целое число, включая ноль;

ослабление будет наблюдаться при ~-{2k\] - . в первом случае разность ходов должна составлять;

.Vo -f Uk,

во втором случае:

Хо-(2А+1)А.

Таким образом, соседние значения разности ходов, обеспечивающие усиление или ослабление колебаний, составляют расстояние, равное длине волиы. Для диапазона миллиметровых волн нет необходимости вести оба луча в свободном пространстве, как в классическом оптическом интерферометре. Луч, длина пути которого постоянна, может быть канализирован при помощи волноводной системы. Такое видоизменение прибора придает ему большую гибкость по сравнению с чисто оптической конструкцией. Соответг ственно изменяется и приемная часть прибора. Интерферометр в диапазоне миллиметровых радиоволн может быть использован для точного измерения длины волны, а также для измерения диэлектрической проницаемости и угла потерь материалов.

Схема интерферометра миллиметрового диапазона приведена на рис. 20. Это интерферометр Майкельсона, примененный для измерения длины волн в миллиметровом диапазоне. В данном интерферометре, кроме подвижной и неподвижной пластин, заменяющих собою отражающие зеркала в оптическом интерферометре, имеется еще полупрозрачное зеркало. Источник колебаний и приемник располагаются так, что их оси направлены под углом 90° друг к другу. В качестве полупрозрачного зеркала можно использовать любой материал, пропускающий половину падающей на него энергии и отражающий оставшуюся часть. Процедура измерений в этом случае такая же, как и с оптическим интерферометром. Среднеквадратичная погрешность ряда измерений, произведенных с помощью интерферометра Майкельсона иа волне 1,2495 см. соста-вйла+0,0025 см.

Длина волны в этом случае определяется из соотношения

Где Д/ -разница в длийе пути, cuOTBetCTByroinaH расстоянию между соседними минимумами сигнала. Необходимо иметь в виду, что при измерениях с помощью интерферометров иа миллиметровых волнах определенное ограничение накладывается явлением дифракции (свойство огибать преграды при распространении электромагнитных волн) при практически применяемых апертурах.

"1


М С

Рис. 20. Блок-схема интерферометра Майкельсона для миллиметровых волн.

1. Источник колебаний. 2. Приемник. 3. Подвижная пластина. 4. Неподвиж-вая пластина. 5- Полупрозрачный экран, б. Усилитель. 7. Самописец.

В современных генераторах размеры апертур ограничены порядком 15 длин волн. Лозтому необходимо оценить эффект дифракции в зависимости от величины апертуры и от взаиморасположения отдельных частей интерферометра. Для получения достаточно острых максимумов и минимумов необходимо создать параллельные лучи электромагнитной волны. Для миллиметровых волн так же, как и в оптике, можно применять экранирующие трубки (подобные телескопическим системам).

Однако при этом следует учитывать эффект увеличения длины волны в волноводе и возможность возникновения высших типов волн.

Обычная теория дифракции дает хорошее приближение для апертур, размеры которых велики по сравнению с получаемой длиной волны. Для миллиметровых волн это условие не всегда соблюдается, поэтому формулы дифракции должны применяться с известной осторожностью. Однако эти формулы нашли широкое применение в теории антенн, размеры апертуры которых порядка 10 \. Можно считать поэтому, что для указанных апертур формулы остаются применимыми как для случая больших расстоЯний, так и для малых Рассмотрение картины дифракции от длинной щели (порядка 15 X) 1на миллиметровых волнах приводит к следующим выводам, если предполагать, что щель освещается плоским фронтом волны.



1. Если > а, где X- длина волны в свободном пространстве, а - ширина щели, z - расстояние вдоль нормали к щели, то можно применить метод дифракции Фраунгофера, определнющни дифракционное поле на сравнительно больших расстояниях от излучающей апертуры. Для этого случая в пространстве, близком к оси Z, фронт постоянной фазы будет практически сферическим. Кривизна его уменьшается с увеличением z, а амплитуда поля дифракции будет обратно пропорциональна z.

ППунф


Ту-:----Шали»

Grt-> L/C rn 04LJK о

Рис. 2t. Волноводный интерферометр.

2. Если kzKa (но не меньше некоторого определенного значения), может быть попользован метод дифракции Френеля. В плоскости, перпендикулярной оси Z и лежащей в этой области, амплитуда поля дифракции будет меняться от максимумов к никимума.м, быстро уменьшаясь по мере приближения к геометрической тени.

Характер диаграммы амплитуды и фазы поля дифракции быстро меняется с увеличением расстояния.

3. Для расстояния, определяемого условием }.z а~, мы имеем промежуточный случай между дифракциями Фрауигофера к Френеля.

Желательно при работе с интерферометрами иметь плоский фронт волн, т. е. необходимо выполнять условие дифракции Фраунгофера, так как в этом случае поле дифракции однородно. Чем больше величина апертуры, тем большее расстояние приходится брать для того, чтобы попасть в область дифракции Фраунгофера.

Другим прибором, более удобным для измерения небольших разностей длины ватны в миллиметровом диапазоне, является волноводный интерферометр.

Как видно из рис. 21, основным элементам интерферометра является двойной волноводный тройник. Энергия от источника подается, .например, в плечо Н, а чувствительный детектор подключен к плечу Е.

Два боковых (одно короткое, другое длинное) плеча оканчиваются плунжерами. Изменением положения плунжеров достигается равновесие (нулевое показание прибора в цепи детектора) .

Изменение длины волны будет вызывать изменение фазы d на входе закороченной линии длиной L = n\.

Если принять cfcf равным я/4, т. е. изменению фазы, вызываемому расстройкой резонатора на 1/2Q от резонанса, то, поскольку для нормальных размеров волновода


Следовательно, эквньалеитиая добротность этого устройства равна 8п.

Разрешающая способность увеличивается пропорционально длине плеча, но затухание ограничивает оптимальную длину величиной 1/2 а. где коэффициент затухания.

Существенное преимущество этого устройства состоит в том, что перемещение плунжера имеет величину порядка длины волны и легко может быть измерено, а в объемном резонаторе плунжер перемещается всего только на часть длины волны.

Этот интерферометр более пригоден для волн миллиметрового диапазона, так как в этом случае он приобретает компактные размеры и имеет более высокую добротность, чем резонаторы.

На рис. 22 показана схема установки для измерения длины волны миллиметрового диапазона с помощью интерферометра, представляющего собой модификацию оптического интерферометра Больц-мана. Источник колебаний и приемник расположены в одном месте. Колебания, отраженные от двух параллельных пластин, попадают в приемник. Одна из отражающих пластин закреплена неподвижно, другая перемешается относительно первой с помощью микрометрического винта. Благодаря интерференции при перемещении пластины в принятом сигнале будут наблюдаться максимумы и минимумы Самописец, включенный на выходе приемника, будет записывать график зависимости величины принятого сигнала от расстояния между пластинами Этот график имеет максимумы и минимумы.

Максимумы будут иметь место тогда, когда пути прохождения

Рис. 22. Схема измерений с помощью интерферометра Больцмана. Источник колебаний. 2. Приемник. Пояаижная ii.iacTMiia. 4. Неппдвнжнаи п;]астина. 5. Усилитель. 6. Самописец.




[0] [1] [2] [3] [ 4 ] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19]

0.0218