Когерентный супергетеродинный спектрометр электронного парамагнитного резонанса

 

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при изготовлении радиоспектрометров электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Цель упрощение настройки, увеличение стабильности и повышение разрешающей способности спектрометра. Спектрометр содержит сигнальный 1 и гетеродинный 2 генераторы СВЧ, измерительный аттенюатор 3, смесители опорного 4 и сигнального 5 каналов, циркулятор 6, измерительный резонатор 7, УПЧ опорного 8 и сигнального 9 каналов, фазовые дискриминаторы 10 и 11, высокостабильный опорный источник ПЧ12, синхронные детекторы 13 и 14, фазовращатели ПЧ 15 и 16, третий смеситель 17, третий УПЧ 18, генератор 19 гармоник, переключатель 20 режимов работы, элемент 21 перестройки резонансной частоты измерительного резонатора. УПЧ опорного канала 8 выполнен как нормирующий усилитель-формирователь напряжения, первый 15 и второй 16 фазовращатели ПЧ выполнены с фиксированным фазовым сдвигом. 1 ил.

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при изготовлении радиоспектрометров электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Известен спектрометр ЭПР, содержащий сигнальный и гетеродинный генераторы сверхвысоких частот (СВЧ), смесители опорного и сигнального каналов, компенсирующий фазовращатель, ослабитель мощности, основной фазовращатель гетеродинного канала, циркулятор с измерительным резонатором, второй циркулятор, ключ, согласующий трансформатор и согласованную нагрузку. Однако этот спектрометр не обладает достаточными чувствительностью и стабильностью, что связано с некогерентностью сигнального и гетеродинного генераторов СВЧ и сложностью наиболее чувствительной и паразитным влиянием схемы СВЧ. Наиболее близким к изобретению является спектрометр ЭПР, содержащий гетеродинный и сигнальный генераторы СВЧ, смесители опорного и сигнального каналов, циркулятор с измерительным резонатором, измерительный аттенюатор. СВЧ-фазовращатель, частотный дискриминатор на основе эталонного высокодобротного резонатора, модуляционную систему автоподстройки частоты сигнального генератора СВЧ, усилители промежуточной частоты (УПЧ) опорного и сигнального каналов, синхронный детектор промежуточной частоты, систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) гетеродинного генератора с высокостабильным опорным источником промежуточной частоты и переключатель режимов работы, причем выход гетеродинного генератора соединен с гетеродинным входом смесителя опорного канала и с фазовращателем, выход которого соединен с гетеродинным входом смесителя сигнального канала, выход сигнального генератора соединен с сигнальным входом смесителя опорного сигнала, входом частотного дискриминатора и входом измерительного аттенюатора, первое плечо циркулятора соединено с выходом измерительного аттенюатора, второе с измерительным резонатором, а третье с сигнальным входом смесителя сигнального канала, выход смесителя сигнального канала соединен с входом УПЧ сигнального канала, а его выход с сигнальным входом синхронного детектора промежуточной частоты, выход смесителя опорного канала соединен с входом системы фазовой автоподстройки гетеродинного генератора СВЧ и с входом УПЧ опорного канала, выход УПЧ опорного канала соединен с опорным входом синхронного детектора промежуточной частоты, вход модуляционной системы автоподстройки частоты через переключатель режимов работы соединен либо с выходом частотного дискриминатора, либо с выходом синхронного детектора промежуточной частоты, а ее выход соединен с управляющим электродом сигнального генератора, выход системы фазовой автоподстройки гетеродинного генератора СВЧ соединен с его управляющим электродом. При таком решении обеспечивается когерентность колебаний сигнального и гетеродинного генераторов СВЧ. Недостатки устройства заключаются в следующем: сложность настройки, связанная с необходимостью подбора нужных фазовых соотношений при помощи регулируемого СВЧ-фазовращателя для каждой установки измерительного аттенюатора, недостаточная стабильность, связанная с независимостью настройки потенциально нестабильных СВЧ-фазовращателя и измерительного аттенюатора; недостаточная разрешающая способность, что связано с использованием модуляционной системы автоподстройки частоты, снижающей спектральную чистоту СВЧ сигнала, но необходимой при непостоянных фазовых соотношениях, в устройстве для различных установок измерительного аттенюатора. Цель изобретения упрощение настройки, увеличение стабильности и повышение разрешающей способности путем обеспечения постоянства фазовых соотношений сигналов. С этой целью когерентный супергетеродинный спектрометр ЭПР, включающий гетеродинный и сигнальный генераторы СВЧ, смесители опорного и сигнального каналов, циркулятор с измерительным резонатором, измерительный аттенюатор, усилители промежуточной частоты (УПЧ) опорного и сигнального каналов, первый синхронный детектор промежуточной частоты (ПЧ), систему ФАПЧ гетеродинного генератора с высокостабильным опорным источником ПЧ и первым фазовым дискриминатором, переключатель режима работ, причем выход гетеродинного генератора соединен с гетеродинным входом смесителя опорного канала, выход сигнального генератора соединен с входом измерительного аттенюатора, первое плечо циркулятора соединено с выходом измерительного аттенюатора, второе с измерительным резонатором, третье с сигнальным входом смесителя сигнального канала, выход которого соединен с входом УПЧ сигнального канала, а его выход с сигнальным входом синхронного детектора ПЧ, выход смесителя опорного канала cоединен с входом УПЧ опорного канала, выход первого фазового дискриминатора системы ФАПЧ гетеродинного генератора СВЧ соединен с его управляющим электродом, согласно изобретению дополнительно содержит генератор гармоник, третий смеситель, третий УПЧ, второй фазовый дискриминатор, второй синхронный детектор ПЧ, первый и второй фазовращатели ПЧ, причем сигнальный вход смесителя опорного канала соединен с выходом измерительного аттенюатора, вход генератора гармоник соединен с выходом высокостабильного опорного источника ПЧ, а выход с опорным входом третьего смесителя, сигнальный вход которого соединен с выходом сигнального генератора СВЧ, выход третьего смесителя соединен с входом третьего УПЧ, выход которого соединен с одним из входов второго фазового дискриминатора, другой вход которого соединен с выходом высокостабильного опорного источника ПЧ, сигнальный вход второго синхронного детектора ПЧ соединен с выходом УПЧ сигнального канала, а опорный вход второго синхронного детектора ПЧ соединен с выходом второго фазовращателя ПЧ, вход которого соединен с выходом первого фазовращателя и опорным входом первого синхронного детектора ПЧ, выход УПЧ опорного канала соединен с входом первого фазовращателя и с одним из входов первого фазового дискриминатора, второй вход которого соединен с выходом высокостабильного опорного источника ПЧ, гетеродинный вход смесителя сигнального канала соединен с выходом гетеродинного генератора СВЧ, при этом измерительный резонатор снабжен элементом перестройки его резонансной частоты, а переключатель режимов работ выполнен трехпозиционным, в первом положении обеспечивающим соединение выхода второго синхронного детектора с управляющим электродом сигнального генератора, во втором положении соединение выхода второго фазового дискриминатора с управляющим электродом сигнального генератора, в третьем дополнительное соединение выхода второго синхронного детектора с элементом перестройки резонансной частоты измерительного резонатора, а УПЧ опорного канала выполнен в виде нормирующего усилителя формирователя напряжения, при этом первый и второй фазовращатели ПЧ выполнены с фиксированным фазовым сдвигом. На чертеже представлена блок-схема спектрометра. Спектрометр содержит сигнальный 1 и гетеродинный 2, генераторы СВЧ, измерительный аттенюатор 3, смеситель опорного 4 и сигнального 5 каналов, циркулятор 6, измерительный резонатор 7, УПЧ опорного 8 и сигнального 9 каналов, фазовые дискриминаторы 10 и 11, высокостабильный опорный источник ПЧ 12, синхронные детекторы 13 и 14, фазовращатели ПЧ 15 и 16, третий смеситель 17, третий УПЧ 18, генератор 19 гармоник, трехпозиционный переключатель 20 режимов работы, элемент перестройки резонансной частоты измерительного резонатора 21. Устройство работает следующим образом. Часть мощности сигнального генератора СВЧ 1, электрические колебания которого описываются функцией cos( ωt+ α), где ω частота колебаний, α произвольная начальная фаза, через измерительный аттенюатор 3, набег фазы на котором обозначим х, подается на сигнальный вход смесителя 4 опорного сигнала, на гетеродинный вход смесителя 4 опорного сигнала подается часть мощности гетеродинного генератора СВЧ 2, электрические колебания которого описываются функцией cos[( ω+ Ω')t+ δ] где Ω'- расстройка частоты гетеродинного генератора относительно сигнального, δ произвольная начальная фаза. Тогда после смесителя 4 опорного сигнала сформируется напряжение ПЧ U_o ≈cos[(ω+Ω')t+δ] cos(ω t+ α+ x) ≈ cos( Ω't+ δ-α- x)
После УПЧ опорного канала 8, дающего набег фазы μ получим
U_o ≈ cos(Ω't+ δ-α- x+ μ)
Это напряжение подается на один из входов первого фазового дискриминатора 10, а на второй его вход подается сигнал с высокостабильного источника колебаний ПЧ 12, который описывается функцией cos Ω t. Положим для определенности, что выходной сигнал фазового дискриминатора 10 обращается в ноль при равенстве частот и фаз сигналов на его входах. Тогда в результате действия петли ФАПЧ на гетеродинный генератор 2 получим
Ω' Ω и δ α x + μ 0
Часть мощности сигнального генератора с выхода измерительного аттенюатора подается на первое плечо циркулятора 6, поступает на измерительный резонатор 7 и после отражения от него через третье плечо подается на сигнальный вход смесителя сигнального канала 5. Этот сигнал имеет вид
U_c ≈ Г^' x cos(ω t+ α +x+ β) + Г'' x sin( ω t + α + x + β ), где Г Г'-jГ'' комплексный коэффициент отражения измерительного резонатора;
β- набег фазы за счет различной электрической длины от выхода измерительного аттенюатора до сигнального входа смесителя 5 и до сигнального входа смесителя 4. Первое слагаемое содержит информацию о сигнале поглощения (Х"), второе о сигнале дисперсии (Х") и расстройке измерительного резонатора 7 относительно частоты сигнального генератора СВЧ 1. Затем после смесителя 5 имеем напряжение ПЧ
U_c ≈[ Г'x cos(ωt+ α +x+ β) + Г''x sin(ωt + α + x + β )x
x cos[(ω + Ω)t + δ Г'xcos (Ω t + δ α x β ) Г''x
x sin (Ωt + δ α x β)
После УПЧ сигнального канала 9, дающего набег фазы λ получим
U_c ≈ Г^'xcos( Ω t + δ α x β + λ )
Г^''x sin( Ω t + δ α x β + λ )
а, учитывая, что δ α + x μ имеем
U_c≈ Г^'xcos(Ωt μ β + λ) Г''˙sin(Ωt-μ-β+λ)
В полученное выражение изменяющийся фазовый набег х, определяемый измерительным аттенюатором 30 не входит. Сигнал U_c с выхода УПЧ 9 подается на сигнальные входы синхронных детекторов 13 и 14. На опорный вход синхронного детектора 13 подается опорное напряжение ПЧ U₀₁=cos(Ωt-μ β + λ ), получаемое путем поворота фазы напряжения U_o с выхода УПЧ 8 на угол ϕ₁ λ μ β фазовращателем ПЧ 15. В результате на выходе синхронного детектора 13 выделяются сигнал поглощения ЭПР. Опорное напряжение U₀₂ cos( Ω t μ β + λ ± π / 2 ) подаваемое на опорный вход синхронного детектора 14, формируется путем дополнительного поворота фазы сигнала U₀₁ на угол ϕ₂ ± π / 2 что осуществляется фазовращателем ПЧ 16. Таким образом, на выходе синхронного детектора 14 выделяется напряжение, пропорциональное сигналу дисперсии ЭПР и расстройке измерительного резонатора 7 относительно частоты сигнального генератора СВЧ 1. Поскольку в приведенных выше выкладках нигде не оговаривалось наличие и характер стабилизации частоты сигнального генератора 1, найденные выше фазовые соотношения имеют универсальный характер. Для реализации АПЧ сигнального генератора СВЧ 1 по измерительному резонатору выходной сигнал синхронного детектора 14 в соответствующей фазе подается через переключатель 20 режимов (положение I) на управляющий электрод сигнального генератора СВЧ 1. Для реализации АПЧ сигнального генератора СВЧ 1 по внешнему эталону используется ФАПЧ по специально сформированному опорному сигналу СВЧ. Сигнал с высокостабильного опорного источника ПЧ 12 подается на вход генератора 19 гармоник, выходной сигнал которого, содержащий высокостабильную сетку частот в диапазоне СВЧ, подается на гетеродинный вход смесителя СВЧ 17. На сигнальный вход смесителя 17 подается сигнал с сигнального генератора СВЧ 1. Промежуточная частота, сформированная с участием одной из гармоник сетки и попадающая в полосу пропускания УПЧ 18, усиливается и с его выхода подается на сигнальный вход фазового дискриминатора 11, на опорный вход которого поступает сигнал с опорного источника 12. Петля ФАПЧ замыкается путем подачи выходного напряжения дискриминатора 11 через переключатель 20 режимов (положение II) на управляющий электрод сигнального генератора СВЧ 1. Третье положение переключателя 20 служит для реализации режима АПЧ сигнального генератора СВЧ 1 по внешнему эталону с одновременной подстройкой измерительного резонатора под частоту генератора 1. В отличие от рассмотренного выше режима, выходной сигнал синхронного детектора 14 используется здесь для управления элементом 21 перестройки резонансной частоты измерительного резонатора 7. В устройстве фазовые соотношения между входными сигналами синхронных детекторов 13 и 14 и фазового дискриминатора 10 постоянны и не зависят ни от установленного измерительным аттенюатором 3 уровня мощности СВЧ, ни от режима стабилизации частоты сигнального генератора СВЧ 1, что позволяет отказаться от какой-либо регулировки фазы СВЧ или ПЧ в процессе эксплуатации спектрометра, а также использовать выходной сигнал синхронного детектора 14 для реализации АПЧ сигнального генератора СВЧ 1 по измерительному резонатору 7 или по высокостабильному опорному источнику ПЧ 12 с одновременной подстройкой измерительного резонатора 7 под частоту сигнального генератора 1. Изобретение позволяет осуществить упрощение настройки, увеличение стабильности и повышение разрешающей способности спектрометра.

Формула изобретения

КОГЕРЕНТНЫЙ СУПЕРГЕТЕРОДИННЫЙ СПЕКТРОМЕТР ЭЛЕКТРОННОГО ПАРАМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА, включающий гетеродинный и сигнальный генераторы СВЧ, смесители опорного и сигнального каналов, циркулятор с измерительным резонатором, измерительный аттенюатор, усилители промежуточной частоты (УПЧ) опорного и сигнального каналов, первый синхронный детектор промежуточной частоты (ПЧ), систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) гетеродинного генератора с высокостабильным опорным источником ПЧ и первым фазовым дискриминатором, переключатель режима работ, причем выход гетеродинного генератора соединен с гетеродинным входом смесителя опорного канала, выход сигнального генератора соединен с входом измерительного аттенюатора, первое плечо циркулятора соединено с выходом измерительного аттенюатора, второе с измерительным резонатором, третье с сигнальным входом смесителя сигнального канала, выход которого соединен с входом УПЧ сигнального канала, выход которого соединен с входом УПЧ сигнального канала, а его выход с сигнальным входом синхронного детектора ПЧ, выход смесителя опорного канала соединен с входом УПЧ опорного канала, выход первого фазового дискриминатора системы ФАПЧ гетеродинного генератора соединен с его управляющим электродом, отличающийся тем, что, с целью упрощения настройки, увеличения стабильности и повышения разрешающей способности спектрометра путем обеспечения постоянства фазовых соотношений сигналов, он дополнительно содержит генератор гармоник, третий смеситель третий УПЧ, второй фазовый дискриминатор, второй синхронный детектор ПЧ, первый и второй фазовращатели ПЧ, причем сигнальный вход смесителя опорного канала соединен с выходом измерительного аттенеатора, вход генератора гармоник соединен с выходом высокостабильного опорного источника ПЧ, а выход с опорным входом третьего смесителя, сигнальный вход которого соединен с выходом сигнального генератора СВЧ, выход третьего смесителя соединен с входом третьего УПЧ, выход которого соединен с одним из входов второго фазового дискриминатора, другой вход которого соединен с выходом высокостабильного опорного источника ПЧ, сигнальный вход второго синхронного детектора ПЧ соединен с выходом УПЧ сигнального канала, а опорный вход второго синхронного детектора ПЧ соединен с выходом второго фазовращателя ПЧ, вход которого соединен с выходом первого фазовращателя и опорным входом первого синхронного детектора ПЧ, выход УПЧ опорного канала соединен с входом первого фазовращателя и с одним из входов первого фазового дискриминатора, второй вход которого соединен с выходом высокостабильного опорного источника ПЧ, гетеродинный вход смесителя сигнального канала соединен с выходом гетеродинного генератора СВЧ, при этом измерительный резонатор снабжен элементом перестройки его резонансной частоты, а переключатель режимов работ выполнен трехпозиционным, в первом положении обеспечивающим соединение выхода второго синхронного детектора с управляющим электродом сигнального генератора, во втором положении соединение выхода второго фазового дискриминатора с управляющим электродом сигнального генератора, в третьем положении - дополнительное соединение выхода второго синхронного детектора с элементом перестройки резонансной частоты измерительного резонатора, а УПЧ опорного канала выполнен в виде нормирующего усилителя формирователя напряжения, при этом первый и второй фазовращатели ПЧ выполнены с фиксированным фазовым сдвигом.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 31.03.2008

Извещение опубликовано: 20.04.2010        БИ: 11/2010

---