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]

волны от источника до приемника отличаются на целое чисЛО волн.

Минимумы будут при разнице в длинах путей, равной нечетному числу полуволн. Длина волны равна удвоенному расстоянию между нулями или максимумами на графике самописца. При измерении длины волны этим методом следует обращать внимание на то, чтобы падающая волна была лерпендикулярна пластинам, в противном случае измерение даст более короткую волну, чем в действительности.


Рис. 23. Блок-схема интерферометра миллиметровых волн Майкельсона.

I. Генератор 2. Зеркало. 1. 3. Зеркало П. 4 Четвертьволновые пластины. 5. Линза. 6, Приёмник.

Для исследования и измерения ряда физических величин на миллиметровых волнах был разработан интерферометр, схема которого приведена на рис. 23.

В описываемом интерферометре апертуры передатчика и приемника были 152 X 152 мм. что составляло примерно 12?. при л = 12.5 мм. Расстояние z до области дифракции Фраунгофера оказывается при этом равным приблизительно 180 см. Общее расстояние от плоскости апертуры передатчика до плоскости апертуры приемника составляло более 2 метров.

Для получения параллельного пучка использовалась металлическая линза, которая устанавливалась на выходном сечении рупора. Такая линза трансформировала сферический фронт волны -в плоский.

В качестве делителя луча в этом интерферометре использована пара четвертьволнсзых лластич из диэлектрика, расположенны.к под углом 45° к направлению падения луча."Пластины изготавливались Из полистирола. Их размеры -228X203 мм.

Размеры зеркал выбирались неско.чько больше размеров апертуры во избежание краевого эффекта, а именно: 203 X 203 мм. Зеркала были выполнены из латуни с последующим серебрением. Зеркало / могло перемещаться с помощью винтовой системы с шагом 2 мм иа расстояние 50 см. Точность отсчета положения зеркала составляла 0,0005 см. Длина волны измеряется по расстоянию между двумя минимумами. Чтобы на расстОЯиии 2 м получить ток с кристалла порядка 400 мка, мощность передатчика должна составлять несколько милливатт.

Очевидно, что измерение длины волны с помощью интерферометра основано на том же принципе, что и измерение с помощью полых резонаторов, а именно: длина волны сравнивается с некоторыми линейными размерами, причем индикаторный прибор фиксирует положение минимумов (максимумов) -интерференционных или резонансных. Поэтому погрешности, возникающие вследствие самой техники измерения, должны быть одинаковыми в этих случаях. Действительно, точность измерений длины волиы при помощи интерфеоометра в области нескольких сантиметров составляет 10~*, т- е. такая же, как и та, которая достигается при применении полых резонаторов.

Нужно учесть, однако, что при переходе .к более коротким волнам не возникает никЗКнх препятствий для применения интерферометра Майкельсона, тогда как конструирование полых резонаторов или гетеродинных измерителей для столь высоких частот технически весьма затруднительно. Кроме того, интерферометр не нуждается ни в термостатировании, ни во внесении температурных поправок в результаты измерений, так как изменения температуры не сказываются сколько-нибудь существенно на этих измерениях.

Недостатком всякой интерференционной схемы является возможность наложения интерференционных картин для различных длин волн, если применяется немонохроматический источник излучения. При этом контрастность всей картины может значитель-но снизиться. В описанных интерферометрах разность уровней минимума и максимума сигнала прн использовании источника непрерывных колебаний составляла примерно 40 дб.

Создание интерференционных приборов высокой разрешающей силы типа интерферометра Фабри-Перо для радиоволн оказалось более затруднительным из-за изменения свойств серебра уже на миллиметровых волнах.

Тем не менее, интерферометр Фабри-Перо для длины волн порядка 8 мм был построен и исследован, причем в качестве отражающих поверхностей использовались многослойные диэлектрики.

Каждый такси диэлектрический отражатель состоял из вось-

мн полистнреновых дисков толщиной разделенных воз-



коэффициент Отражения по интенсивности равный 0,9954. Диаметр каждого отражателя равнялся 28 см. Рефлекторы, установленные на рельсах строго в вертикальной плоскости, могли перемещаться в широких пределах от руки и с помощью микрометрического вин та. Источником излучения служил отражательный клистронный генератор со стабилизатором частоты. Излучение после прохождения отражателей детектировалось с помощью кристаллического детектора.

Для передачи и приема излучения источник и приемник были соединены с волноводами прямоугольного сечения, снабженными электромагнитными рупорами. Использовались рупоры с апертурами 8,9 X 8,9 и 15,2 X 15,2 см. Необходимое для правильной работы интерферометра постоянство фазы па отверстиях рупора достигалось тем, что в отверстия вставлялись полистиреновые лиизы с неотражающими поверхностями. Общая схема интерферометра показана на рис. 24.


Рис. 24. Схема интерферометра Фабри-Перо:

1. Генератор и 1;габил11затор частиты. 2. Аттенюатор генератора. 3. Излучающий рупор. 4. Линза генератора. 5. Рефлекторы. 6 Линза ириемнииа. 7. Рупор приемника, S. Аттшнюатор приемника. 9. Крисга.1личесиии аетектор. 10. Приемник.

В интерферометре получается многократная интерференция между отражателями, причем пропускаемая системой интенсивность дается формулой

где Р и /?-коэффициенты пропускания и отражения реф-2„ лекторов;

г = 2р-/cos О - есть разность фаз между двумя соседними интерферирующими лучами; t - расстояние между рефлекторами; \1. - показатель преломления среды; а - угол падения излучения на поверхность рефлектора.

Максимум проходящей интенсивности получается присо5:5=1 или 2(1/cos л)., где п -порядок интерференции. Чтобы пропускаемая системой интенсивность была наибольшей, нужно применять диэлектрики с наименьшими потерями.

Определение длины волны основано на том, что подсчитывает-ся число интерференционных полос при двух расстояниях между рефлекторами, отличающихся иа 50 см. По этим данным и рассчитывается затем длина волны.

Вследствие конечных размеров отверстий излучающего и приемного рупоров и зеркал важное значение при измерениях в радио-диапазоне, где длина волны излучения оказывается соизмеримой с указанными геометрическими размерами, приобретают явления дифракции.

Для учета явлений дифракции считается, что поле в любой точке перед отверстием может быть получено в результате интерференции плоских волн, выраженных как функции от их направления распространения. Эти волны образуют угловой спектр излучения. Величина влияния дифракционных явлений характеризуется числом плоских QO.iH, ооразуюидих угловой спектр данного отверстия. Показано, что при больших расстояниях между отверстиями рупоров и рефлекторами существенную роль играют только плоские волны с Ь. близким к нулю. Это утверждение особенно справедливо для больших порядков интерференции.

Результаты измерений показали, что применение рупоров с большими отверстиями обеспечивает большую пропускную способность и более резкие интерференционные полосы.

Параллельно с измерением длины волны с помошью интерферометра производились аналогичные измерения с помощью резонансной камеры, причем получилось полное совпадение результатов.

Добротность, а следовательно, и разрешающая способность описанного интерферометра очень велика: Q = 60 000.

С помощью интерферометра оказалось возможным измерить длину волны с точностью порядка 10

Наблюдаемые интерференционные полосы очень резкие, но очевидно, что применение вместо полистирена диэлектрика с меньшими диэлектрическими потерями и большей диэлектрической постоянной может дать еще лучшие результаты.

С помошью описанного интерферометра Фабри-Псро можно, кроме того, измерять диэлектрические постоянные различных сред и скорость распространения электромагнитных волн.

Интерферометры становятся необходимыми измерительными приборами, используемыми для измерения целого ряда важных фи-31!ческих величин в диапазоне миллиметровых волн.

§ 5. Измерение длины волны методом дифракционного cncKTpoMeipa

Рассматривая оптические методы измерения длины волны в диапазоне миллиметровых волн, следует остановиться на использовании для этой цели явления дифракции.

В оптике дифракционные спектрометры широко применяются



для измерения длины волн и поэтому, как только потребности практики вызвали к жизни технику миллиметровых волн, были созданы дифракционные спектрометры для измерения на миллиметровых волнал". Оказалось возможным создать дифракционные решетки, имеющие разрешающую способность не хуже разрешающей способности объемных резонаторов, а на волнах короче 3-4 мм даже во много лучше. Кроме того, при изготовлении таких предельно малых резонаторов чрезвычайно трудно выдерживать требуемые механические допуски, что также делает нецелесообразным использование резонансных методов на этих волнах.

На рис. 25 приведена блок-схема дифракционного спектрометра для измерения длины волн в дна-пазоие 3-12,5 мм с точностью поряд-

-,- ка 0,04%, Решетка (5на рисунке) от-

/ ражающего типа (эшелетт), с изме-

няющимся шагом, состоит из 75 параллельных металлических стержней, представляющих собой в поперечном сечении полуокружность диаметром 1 см. Расстояние между осями Стержней - также 1 см. Оба конца каждого стержня запрессованы в подвижную обойму миниатюрных шарикоподшипников, установленных по обеим сторонам рамы решетки. С помощью шарнирной механической системы (шарнирный параллелограмм) решетка может поворачиваться вокруг оси центрального стержня, остающегося неподвижным. При этом каждый стержень поворачивается вокруг своей оси так. что отражающие поверхности их остаются параллельными между собой и отражающей поверхности центрального стержня.

Расстояние d по нормали между отражающими поверхностями смежных стержней определяется;


Рис. 25. Блок-схема дифракционного спектрометра:

/. Генератор. 2. Ослабитель 3. Перелзю-ший рупор. 4. Параболлический рефлектор. 5. Дифракционная решетка, fi. Приемный pvnop. 7. Кристаллический детектор. S. Усилитель. 9 Самописец, 10. Механизм вращения решетки.

d= Г cos tjj.

(2.6

где г - расстояние между осями смежных стержней;

6 -угол между рамой и нормалью к отражающей поверхности.

На рис. 26 дано поперечное сечение трех элементов решетки в двух ее положениях.

Такая конструкция решетки дает возможность работать при неподвижном приемнике и передатчике. Кроме того, в одном из

положений решетка представляет собой плоский отражатель, что используется для точной регулировки положения решетки совместно с приемником и передатчщсом. Механическая система шарнирного параллелограмма позволяет уменьшить ошибки за счет люфта в отсчете положения решетки.

Антенная система спектрометра должна удовлетворять следующим требованиям: 1) фронт волны, падающий на решетку, должен быть плоским уже иа сравнительно небольших расстояниях от антенны; 2) широкополосность в пределах вышеуказанного диапазона волн; 3) равномерность освещения решетки.


:Эе1енгг> joe

oGLxier-nKi-i IOC-loo noe>c:v=>Cf-

Рис. 26. Поперечное сечение эле.чеятов дифракционной

решетки.

Для удовлетворения этих требований в качестве антенной системы использовался рефлектор в виде параболоида вращения, {4 на рис, 25), в фокусе которого находился передающий рупор {3 на рисунке). Размеры параболоида выбирались большими, чем размеры решетки Этим устранялся эффект дифракции волн у краев рефлектора.

В целях упрощения процесса регулировки, а также экономии места и аппаратуры, приемная и передающая антенны были объединены в ОДНУ. Приемный и передающий рупоры размещались так. чтобы точка фокуса параболического рефлектора лежала посредине их обшей стенки, а апертуры рупоров лежали в фокальной плоскости. Передающий рупор совместно с рефлектором при таком размещении производит плоскую волну под углом б, а приемный рупор принимает плоскую волну, направленную под таким




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

0.1252