5.2. Резонансные частотомеры

Принцип работы резонансных частотомеров (РЧ) базируется на явлении резонанса в колебательных системах. Основой Р4 является измерительный ре­зонансный контур, связанный с источником сигнала f_x и индикатором резонанса. Хотя в принципе РЧ могут применяться для измерения частоты в диапазонах В4 и СВ4, практическое использование их, как уже указывалось, ограничивает­ся диапазоном СВ4. Это легко объясняется возможностью создания в диапазоне СВЧ высокодобротных колебательных систем с резким проявлением резонанса и точной фиксацией его. Именно в диапазоне СВЧ удается реализовать классы точ­ности РЧ 0,005; 0,01; 0,02 и 0,05, позволяющие им конкурировать с цифровыми частотомерами.

Колебательными системами в диапазоне СВЧ являются контуры с распреде­ленными постоянными в виде коаксиальных и волноводных резонаторов. Как из­вестно из теории длинных линий, размеры резонаторов в момент настройки их в

Рис. 5.1. Схематическое устройство резонансного частотомера СВЧ.

резонанс однозначно связаны с длиной волны возбуждаемых колебаний. Это по­зволяет определять по результатам измерения λ искомое значение f_x. Рассмотрим в качестве примеров РЧ с коаксиальным полуволновым резонатором (рис. 5.1, а) и с цилиндрическим волноводным резонатором (рис. 5.1, б).

Как видно из рис. 5.1, а, коаксиальный резонатор представляет собой отрезок короткозамкнутой коаксиальной линии, длина которого изменяется перемеще­нием поршня П с помощью микрометрического механизма, снабженного соответ­ствующей шкалой. Связь резонатора с источником сигнала f_x и индикатором ре­зонанса — индуктивная, осуществляемая с помощью петель связи 1 и 2. Индика­тор резонанса состоит из детекторной камеры 3 с полупроводниковым диодом и индикатора И, в качестве которого при измерении частоты непрерывных сигна­лов применяются магнитоэлектрические приборы, а при измерении частоты импульсно-модулированных сигналов — селективные измерительные усилители.

Резонанс в такой системе наступает каждый раз, когда l= nλ/2, где я=1,2,3, ..., и фиксируется по максимальным показаниям И. Если отсчитать по шкале микрометрического механизма положения П, соответствующие двум соседним резонансам (li и /г), то

Δl=( l₁ - l₂)= λ/2, (5.3)

т. е. по результатам измерения Δl определяется λ и далее f_x. Соотношение (5.3) и конструкция механизма перемещения П определяют оптимальный диапазон из­меряемых f_x ≈ 2,5 ... 10 ГГц. На более низких частотах применяют РЧ с коакси­альными четвертьволновыми резонаторами, а на более высоких—РЧ с волноводными резонаторами.

Из рис. 5.1 видно, что РЧ с волноводным и коаксиальным резонаторами ана­логичны по конструкции и методике измерения f_x. Разница заключается в том, что для РЧ с волноводным резонатором вместо (5.3) справедливо соотношение Δl = λ _в/2, где

определяется не только значением λ, но и критической длиной волны λ_к, завися­щей от типа возбуждаемой в резонаторе волны. Чаще всего в качестве волно­водных резонаторов применяют короткозамкнутые отрезки цилиндрических волноводов, возбуждаемые через отверстие 4 в центре торцевой стенки (рис. 5.1, б). В этом случае в волноводе возбуждается волна типа Н₁₁ с критической длиной = 3,41, а.

Методика (5.3) не совсем удобна, так как требует отсчетов двух положений П. Поэтому шкалу механизма перемещения П часто предварительно градуируют в значениях f_x, и тогда мы получаем прямоотсчетный РЧ с фиксацией только одного резонанса. Класс точности таких РЧ определяется как добротностью ре­зонатора, чувствительностью И и погрешностью микрометрического механизма П, так и влиянием на РЧ внешних условий — температуры и влажности. Для ми­нимизации этого влияния применяются материалы с малым температурным ко­эффициентом расширения (например, инвар), температурная компенсация и гер­метизация резонаторов.