Электронный измеритель разности фаз сверхвысокочастотных колебаний
ЭЛЕКТРОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ РАЗНОСТИ ФАЗ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЙ , содержащий помещенные в вакуумную камеру эле.ктронную пушку, модулирукнцую секцию и коллектор электронов , фокусирующую систему, блок питания, подключенный к электронной пушке, индикатор, фазосдвигающую линию и аттенюатор, вход которого является первым.входом электронного измерителя ,.отличаю щийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в вакуумной камере между модулирующей секцией и коллектором электронов дополнительно установлены первый анализатор энергии электронов , дополнительная, модулирующая секция и второй анализатор энергии электронов, причем первый и второй анализаторы энергии электронов и коллектор элеРтронов выполнены в виде трех соосных плоских электродов, при этом средние плоские электроды первого и второго аналиэаторов энергии электронов и коллектора электронов подключены к блоку питания через соответствующие введенные источники вольтдобавки, а тре.тйй плоский электрод коллектора электронов соединен с блоком питания через индика (Л тор, при этом аттенюатор соединён с модулирунндей секцией, а фазосдвигас ющая линия, вход которой является вторым входом измерителя - с дополнительной модулирующей секцией.
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИН авиа. f (21) 3275249/18-09 (22) 28 ° 01. 81 (46) 30. 03. 83. Бюл.. 9 12 (72) А.М. Гладкий, В.A. Драпий, В.П. Нарбут и И.И. Шлифер (53) 621.317.373(088.8) (56) 1. Цикин Б.Г., Козлов.Г.А. Электронный индикатор фазы СВЧ колебаний; электронная.техника, сер. 11,вып.1(7), 1968, 177, 178 (прототип). (54)(57) ЭЛЕКТРОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ РАЗНОСТИ ФАЗ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕSAHHA, содержащий помещенные в вакуумную камеру электронную пушку, модулирующую секцию и коллектор электронов, фокусирующую систему, блок питания, подключенный к электронной пушке, индикатор, фазосдвигающую линию и аттенюатор, вход которого является первым. входом электронного измерителя,.отличающийся тем, что, с целью повышения точности
„„SU„„1008 9 измерений, в вакуумной камере между модулирующей секцией и коллектором электронов дополнительно установлены первый анализатор энергии электронов, дополнительная модулирующая секция и второй анализатор энергии электронов, причем первый и второй анализаторы энергии электронов и коллектор электронов вйполнены в ви де трех соосных плоских электродов, нри этом средние плоские электроды первого и второго анализаторов энергии электронов и коллектора электронов подключены к блоку питания через соответствующие введенные источники вольтдобавки, а третйй плоский электрод коллектора электронов сое- . Е динен с блоком питания через индикатор, при этом аттенюатор соединен с модулирующей секцией, а фазосдвигающая линия, вход которой является вторым входом измерителя — с дополни тельной модулирукщей секцией.
1008669 ную камеру электронную пушку, модулиИзобретение относится к технике сверхвысоких частот и может быть использовано для измерения сдвига фаз между гармоническими сигналами и записи фазочастотных характеристик четырехполюсников.
Наиболее близким к предлагаемому является электронный измеритель разности фаз сверхвысокочастотных колебаний, содержащий помещенные в вакуумную камеру электронную пушку, модулирующую секцию, секцию взаимодействия и коллектор электронов, фокусирующую систему, блок питания, подключенный к электронной пушке, аттенюатор, фазосдвигающую линию, вход которой соединен с аттенюатором, а выход — с секцией взаимодействия, при ртом вход аттенюатора является первым входом электронного измерителя, а вход модулирчющей секции— его вторым входом (1) .
Недостаток электронного индикатора фазы сверхвысоких частот заключается в низкой точности измерений иэ-за частотной зависимости коэффи,циента усиления, сильной амплитуднофазовой конверсии и низкой точности индикатора, выполненного в виде измерителя мощности.
Цель изобретения — повышение точности измерений.
Поставленная цель достигается тем, что в электронном измерителе разности фаз сверхвысокочастотных колебаний, содержащем помещенные в вакуумрующую секцию и колллектор электронов, фокусирующую систему, блок питания, подключенный к электронной пушке, индикатор, фазосдвигающую ли.нию и аттенюатор, вход которого является первым входом электронного измерителя, в вакуумной камере меж, ду модулирующей секцйей и коллектором электронов дополнительно установлены первый анализатор энергии электронов, дополнительная модулиру ющая секция и второй анализатор энергии электронов, причем первый и второй анализаторы энергии электронов и коллектор. элен ронов выполнены в виде трех соосных плоских электродов, при этом средние плоские электроды ервого и второго анализаторов энерии электронов и коллектора электронов подключены к блоку питания через соответствующие введенные источники вольтдобавки, а третий плоский электрод коллектора электронов соединен с блоком питания через индикатор, при этом аттенюатор соединен с модулирующей секцией, а фазосдвигающая линия, вход которой является вторым входом измерителя — c дополнительной модулирующей секцией.
На фиг. 1 представлена структурная схема электронного измерителя разности фаз сверхвысокочастотных колебаний; на фиг. 2 — временные диаграммы, поясняющие его работу.
Измеритель разности фаз содержит электронную пушку 1, фокусирующую систему 2, модулирующую секцию 3, коллектор 4 электронов, блок 5 питания, связанный с электронной пушкой 1, индикатор 6, аттенюатор 7, вход которого является первым входом
10 1измерителя, фазосдвигающую линию 8, вторую модулирующую секцию 9, первый
10 и второй 11 анализаторы энергий электронов, причем анализатор 10 установлен между первой 3 и второй 9 модулирующими секциями, а анализатор
11 — межцу второй модулирующей секцией 9 и коллектором 4 электронов, при этом индикатор 6 включен между блоком 5 питания и коллектором 4 электронов, аттенюатор 7 соединен с первой модулирующей секцией 3, фазосдвигающая линия 8 соединена с второй модулирующей секцией 9, анализаторы 10 и 11 энергий связаны с блоком 5 питания через источник 12 вольтдобавки, а вход фазосдвигающей линии 8 является вторым входом измерителя разности фаз. Электронная пушка 1, модулирующие секции 3 и 9, анализаторы 10 и 11 энергий и коллектор 4 электронов располагаются соосно и помещаются в вакуумную камеру 13 с давлением 10 мм рт.ст..
Коллектор 4 электронов связан с блоком 5 питания через индикатор 6 и
35 источник 14 вольтдобавки.
Фокусирующая система 2 предназначена для фокусировки формируемого пушкой 1 электронного пучка и устранения его расхождения на пути до кол40 лектора 4 электронов. Она представляет собой катушку с током, расположенную относительно элементов, входящих в вакуумную камеру.
Модулирующие секции 3 и 9 служат
45 для модуляции скорости электронного потока сверхвысокочастотными сигналами, подаваемыми соответственно на первый и второй входы устройства, и выполнены в виде отрезков спиралей.
Можно испольэовать также замедляющие системы других типов, плоские зазоры, входящие в состав резонаторов, или ,просто волноводы с отверстиями в ши рокой стенке для пропускания электронного луча.
55 Ан,изаторы 10 и 11 отсекают электроны, энергия которых после прохождения модулирующих секций 3 и
9 уменьшилась по сравнению с первоначальной энергией электронного пучка, и пропускает на коллектор 4 электроны с энергиями, превышающими их первоначальную энергию. Они представляют собой три соосных плоских электрода с тормозящим полем. Первый
65 и третий электроды анализаторов 10
1008669 н 11 энергий выполняют роль экранов, а на средний подается тормозящее напряжение, необходимое для полного запирания немодулированного электронного пучка. Коллектор 4 электронов также состоит из трех плоских расположенных соосно электродов, первый из которых выполняет роль экрана, а на второй подается напряже.ние от источника 14 вольтдобавки, равное примерно 50 В, для отражения 10 вторичных электронов от третьего электрода, на который подает электронный луч. Первые два электрода имеют отверстия для пропускания электронного пучка. Электроды анализаторов 10 и 11 и коллектора 4 электронов, имеющие отверстия для пропускания электронного пучка, одновременно ограничивают пучок по радиусу и таким образом выполняют функции кол20 лиматора, удаляя из пучка электроны с поперечными составляющими скорости.
Для уменьшения "провисания" потенциала в отверстиях этих электродов их следует закрыть сетками. Блок 5 питания формирует напряжения, необходимые для питания электронной пушки 1, анализаторов 10 и 11, коллектора 4 электронов. Поскольку электронный пучок имеет небольшой (с амплитудой . 0,1 зВ) не связанный с пульсациями ускоряющего напряжения энергетический разброс, то тормозящее напряжение, подводимое к анализаторам 10 и 11 энергий, должно по абсолютной величине несколько превы- 35 ..шать ускоряющее напряжение электронной пушки 1. Поэтому напряжение, подводимое к анализаторам 10 и 11, создается путем последовательного сложения ускоряющего напряжения с 40 напряжением 1 В от источника 12 вольтдобавки.
В роли индикатора в зависимости от требований, предъявляемых к уст- ройству, используются обычный стре- 4 лочный измеритель тока, осциллограф, самописец и др.
Аттенюатор 7 слуЖит для уменьшения мощности исследуемого сигнала, пОдаваемОгО на первый,вход устрой 50 ства, по отношению к мощности сигнала на втором входе устройства с тем, чтобы при измерениях электроны, получившие в модулирующей секции модуляции приращения энергии, но попавшие в модулирующие секции 9 в тормозящее поле СВЧ колебаний, замедлялись до энергий, меньших первоначальиой энергии пучка.
Фазосдвигающая линия 8 предназначена для создания постоянного сдвига фаз между исследуемыми сигналами такого, чтобы при подаче на входы устройства синфазных сигналов сдвиг фаз между переменными составляющими скростей V< и Ч составлял У . Она 65 представляет Собой заполненную воздухом коаксиальную линию.
Электронный измеритель разности фаз сверхвысокочастотных колебаний работает следующим образом.
: Моноэнергетический пучок электронов с током 3 и энергией Оц, сформированный электронной пушкой 1, проходит. сначала через модулирующую секцию модуляции, модулируется по скорости сверхвысокочастотным сигналом, поступающим на первый вход ! устройства, и попадает в анализатор
:10, который задерживает замедленные электроны и пропускает ускоренные так, что ток на выходе анализатора
10 имеет вид прямоугольных импульсов с длительностью, равной половине периода сверхвысокочастотных колебаний, и амплитудой, равной Зо. Далее импульсный ток пучка поступает в секцию 9 модуляции, на которую подается второй исследуемый сигнал.
Часть электронов импульса, определяемая величиной фазового сдвига между исследуемыми сигналами, попадает в тормозящее поле сверхвысокочастотных колебаний, замедляется и задерживается анализатором 11.. Величина разности фаз определяется по величине измеренного индикатором 6 среднего тока 3к на коллекторе 4 элек тронов. !
Для определения функциональной зависимости между ? и ф рассмотрим работу устройства более подробно.
В отсутствие СВЧ сигналов на входах устройства и напряжений на анализаторах 10 и 11 энергий электронов пучок электронов движется в поле фокусирующей системы 2 и за малым исключением рассеянных электронов полностью проходит на коллектор 4 электронов. Ток пучка 3О измеряется индикатором 6. При подаче тормозящего напряжения электронный пучок полностью запирается анализаторами 10 ,и 11.
При наличии исследуемого сигнала на первом входе измерителя эцектронный пучок, взаимодействуя в.модулирующей секции 3 с электрическим полем сверхвысокочастотных колебаний, приобретает .на выходе из нее переменную составляющую продольной скорости V> Vq s i ï (ñîñ + Ч } (фиг. 2O).
Электроны, попавшие в ускоряющий полупериод СВЧ колебаний и получившие после прохождения модулирующей секции 3 приращение энергии, проходят через тормозящее поле анализатора 10 энергий электронов и равное ему поле в анализаторе 11 и попадают на коллектор 4 электронов. Ток на коллекторе 4 представляет собой последовательность прямоугольных импульсов (фиг. 25). Незначительное отклонение формы импульсов от прямо1008669 - = —" 3 (3f- Ч,„) о у о 2 угольной связано с наличием энергетического разброса частиц пучка.
С поступлением сверхвысокочастотных колебаний на второй вход измерителя, параметры тока на коллекторе 4 электронов. становятся зависимыми от величины разности фаз исследуемых сигналов. При выполнении условия Ч П 1< 1V2ml г,це Ч2„„— амплитуда переменной составляющей скорости
V = Ч1,„ь i n((at + Ч2), которую приобрел бы пучок во второй модулирующей секции 9 в отсутствии напряжения на анализаторе 10 и сверхвысокочастотного сигнала на первом входе измерителя (фиг. 2s), чать электронов, . составляющих ток импульо4 на выходе .анализатора 10 (фиг. 2б), попадает в модулирующую секцию 9 в тормозящий полупериод электрического поля, замедляется до энергий, меньших первоначальной энергии пучка, и задержива. ется анализатором 11. В результате длительность импульсов тока на кол.лекторе 4 электронов укорачивается на величину 1: Р2j ofhng где Ч2(= я Р1 (фиг. 2 ь). Выполнение условия !Ч1„„1<
Средний за период ток на коллекторе 4 Л ) 4 )< 2я . о 27 о 21 21 или ) у 2Л а . в зависимости от знака <Р (фиг. 2В, . и d,е). Вследствие конечного времени пролета электронов пучка разность фаз между исследуемыми сигналами Ч отличается от разности фаз между переменными составляющими скоростей Ч . на некоторую величину Чо 2 О 24 о где То — время пролета электроном пучка расстояния между началом модулирующей.секции 3 и началом модулирующей секции 9. При измерениях угол Чо компенсируется фазосдвигающеи линией 8 так, чтобы (фиг. 2ж) Ч=Ч2 - л. Длина линии Р определяется из условия о с I где с — скорость света. Критерием точного удовлетворения 10 условия f=<2 -Ó является равенство нулю тока Зк при подаче на оба входа устройства сигналов от одного источника сверхвысокочастотных колебаний для всех частот измеряемых сигналов. Подставляя выражение для М в выражение для Зк, окончательно полу-. чаем (фиг. 2з) Ч=2Л. /3p. Таким образом, измерив ток на коллекторе 4 электронов 3.к и зная полный ток пучка 3о, можно определять, разность фаз между исследуемыми сигналами в диапазоне. углов 0-180 . Из последней формулы следует, что шкала индикатора 6 может быть проградуирована непосредственно в величинах фазового угла, причем она будет ли.нейной. Цри измерениях разности фаз дпредлагаемым устройством, принцип работы которого основан на анализе энер.гий электронов и последующих измерений среднего тока 5к, полностью исключаются свойственные измерениям по усиливаемой СВЧ мощности, применяемым в прототипе, погрешности, обусловленные нестабильностью коэффициента.усиления и неравномерностью коэффициента передачи четырехполюсников в диапазоне частот. Точность 40 измерений существенно повышается также за счет более высокой точности измерителей тока. Так, при использовании в качестве индикатора 6 измерителя тока класса точности 0,5 изме45 рение часто встречающихся углов от 0 до 30 производится с точностью о 0,1 . Кроме того, значительно повьйиается чувствительность измерителя. Оценка, выполненная по форму5р ле для Р показывает, что при изменении угла <Р, например, от 0,5 до 1 показания индикатора 6 изменяются в два раза. 1008669 ..7к а Uð У 2к 47,7 Зк .7ф 3f У Z7i Фиа 2 Составитель Е. Егоров техред Е.Xaритоиeик Корректор В. Бутяга Ю Заказ 2331/56 Тирам 708 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета .СССР по делам изобретений и открытий 13035, Москва,.Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП ."Патент", г. Уигород, ул. Проектная, 4
