SU1008669A1 - Электронный измеритель разности фаз сверхвысокочастотных колебаний - Google Patents

Abstract

ЭЛЕКТРОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ РАЗНОСТИ ФАЗ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЙ , содержащий помещенные в вакуумную камеру эле.ктронную пушку, модулирукнцую секцию и коллектор электронов , фокусирующую систему, блок питани , подключенный к электронной пушке, индикатор, фазосдвигающую линию и аттенюатор, вход которого  вл етс  первым.входом электронного измерител  ,.отличаю щийс  тем, что, с целью повышени  точности измерений, в вакуумной камере между модулирующей секцией и коллектором электронов дополнительно установлены первый анализатор энергии электронов , дополнительна , модулирующа  секци  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 питани  через соответствующие введенные источники вольтдобавки, а тре.тйй плоский электрод коллектора электронов соединен с блоком питани  через индика (Л тор, при этом аттенюатор соединён с модулирунндей секцией, а фазосдвигас юща  лини , вход которой  вл етс  вторым входом измерител  - с дополнительной модулирующей секцией.

Description

00 W

CD

со Изобретение относитс  к технике сверхвыаоких частот и может быть использовано дл  измерени  сдвига фаз между гармоническими сигналами и записи фазочастотных характеристик четырехполюсников . Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  электронный измеритель разности фаз сверхвысокочастотных колебаний , содержащий помещенные в вакуумную камеру электронную пушку, модулирующую секцию, секцию взаимодействи  и коллектор 31лектронов, фокуси рующую систему, блок питани , подключенный к электронной пушке, аттенюатор , фазосдвигающую линию, вход которой соединен с аттенюатором, а выход - с секцией взаимодействи , при этом вход аттенюатор а  вл етс  первым входом электронного измери .тел , а вход модулирующей секции его вторым входом 1J . Недостаток электронногоиндикатора фазы сверхвысоких частот заключаетс  в низкой точности измерений из-за частотной зависимости коэффи ,циента усилени , сильной амплитуднофазовой конверсии и низкой точности индикатора, ВЕлполненного в виде измерител  мощности. Цель изобретени  - повышение точ ности измерений. Поставленна  цель достигаетс  тем что в электронном измерителе разности фаз сверхвысокочастотных колебаний , содержащем помещенные в вакуумную камеру электронную пушку, модули рующую секцию и колллектор электронов , фокусирующую систему, блок питани , подключенный к электронной пушке, индикатор, фазосдвигающую ли нию и аттенюатор, вход которого  вл етс  первым входом электронного измерител , в вакуумной камере меж , ду модулирукадей секцией и коллектором электронов дополнительно установлены первый анализатор энергии электронов, дополнительна  модулиру юща  секци  и второй анализатор энер гии электронов, причем первый и вто рой анализаторы энергии электронов коллектор, элек.ронов выполнены в ви де трех соосных плоских электродов, при этом средние плоские электроды Первого и второго анализаторов энергии электронов и коллектора электронов подключены к блоку питани  через соответствующие введенные источ ники воль тдобавки, а третий плоский электрод коллектора электронов соединен с блоком питани  через индика тор, при этом аттенюатор соединен с модулирующей секцией, а фазосдвигающа  лини , вход которой  вл етс  вторым входом измерител  - с дополнительной модулирующей секцией. На фиг. 1 представлена структурна  схема электронного измерител  разности фаз сверхвысокочастотных колебаний; на фиг. 2 - временные диаграммы , по сн ющие его работу. Измеритель разности фаз содержит электронную пушку 1, фокусирующую систему 2, модулирующую секцию 3, коллектор 4 электронов, блок 5 питани , св занный с электронной пушкой 1 , индикатор 6, аттенюатор 7, вход которого  вл етс  первым входом |измерител , фазосдвигающую линию 8, вторую модулирующую секцию 9, первый 10и второй 11 анализаторы энергий электронов, причем анализатор 10 установлен между первой- 3 и второй 9 модулирующими секци ми, а анализатор 11- между второй модулирующей секцией 9 и 1 оллектором 4 электронов, при этом индикатор 6 включен между блоком 5 питани  и коллектором 4 электронов, аттенюатор 7 соединен с первой модулирующей секцией 3, фазосдвигающа  лини  8 соединена с второй модулирующей секцией 9, анализаторы 10 и 11 энергий св заны с блоком 5 питани  через источник 12 вольтдобавки, а вход фазосдвигающей линии 8  вл етс  вторым входом измерител  разности фаз. Электронна  пушка 1, модулирующие секции 3 и 9, анализаторы 10 и 11 энергий и коллектор 4 электронов располагаютс  соосно и помещаютс  в вакуумную камеру 13 с давлением мм рт.ст.. Коллектор 4 электронов св зан с блоком 5 питани  через индикатор 6 и источник 14 вольтдобавки. Фокусирующа  система 2 предназначена дл  фокусировки формируемого пушкой 1 электронного пучк& и устранени  его расхождени  на пути до коллектора 4 электронов. Она представл ет собой катушку с током, расположенную относительно элементов, вход щих в вакуумную камеру. Модулирующие секции 3 и 9 служат дл  модул ции скорости электронного потока сверхвысокочастотными сигналами , подаваемыми соответственно на первый и второй входы устройства, и выполнены в виде отрезков спиралей. Можно использовать также замедл ющие системы других типов, плоские зазоры, вход щие в состав резонаторов, или .просто волноводы с отверсти ми в ши|рокой стенке дл  пропускани  электронного луча. Анализаторы 10 и 11 отсекают электроны, энерги  которых после прохождени  модулирующих секций 3 и 9 уменьшилась по сравнению с первоначальной энергией электронного пучка , и пропускает на коллектор 4 электроны с энерги ми, превышающими их первоначальную энергию. Они представл ют собой три соосных плоских электрода с тормоз щим полем. Первый и третий электроды анализаторов 10

и 11 энергий выполн ют роль экранов а на средний подаетс  тормозждее напр жение , необходимое дл  полного запирани  немодулированного электронного пучка. Коллектор 4 электронов также состоит из трех плоских расположенных соосно электродов, первый из которых вьтолн ет роль экрана , а на второй подаетс  напр жение от источника 14 вольтдобавки, равное примерно 50 В, дл  отражени  вторичных электронов от третьего электрода, на который подает электронный луч. Первые два электрода имют отверсти  дл  пропускани  электронного пучка. Электроды анализаторов 10 и 11 и коллектора 4 электронов , имеющие отверсти  дл  пропускани  электронного пучка, одновременно ограничивают пучок по радиусу и таким образом выполн ют функции коллиматора , удал   из пучка электроны с поперечньлли составл ющими скорост Дл  уменьшени  провисани  потенциала в отверсти х этих электродов. их следует закрыть сетками. Блок 5 питани  формирует напр жени , необходимые дл  питани  электронной пушки 1, анализаторов 10 и 11, коллектора 4 электронов. Поскольку электронный пучок имеет небольшой (с амплитудой -0,1 эВ) не св занный с пульсаци ми ускор ющего напр жени  энергетический разброс, то тормоз щее напр жение, подводимое к анализ торам 10 и 11 энергий, должно по абсолютной величине несколько превышать ускор ющее напр жение электронной пушки 1. Поэтому напр жение, подводимое к анализаторам 10 и 11, создаетс  путем последовательного сложени  ускор квдего напр жени  с напр жением /«/I В от источника 12 вольтдобавки.

В роли индикатора в зависимости от требований, предъ вл емых к устройству , используютс  обычный стрелочный измеритель тока, осциллограф самописец и др.

Аттенюатор 7 служит дл  уменьшени  мощности исследуемого сигнала, подаваемого на первый вход устройства , по отношению к мощности сигнала , на втором входе устройства с тем, чтобы при измерени х электро- , ны, получившие в модулирующей секции модул ции приращени  энергии, но попавшие в модулирующие секции 9 в тормоз щее поле СВЧ колебаний, замедл лись до энергий, меньших первоначальной энергии пучка.

Фазосдвигакнца  ли.ни  8 предназначена дл  создани  посто нного сдвига фаз между исследуемы1«ш сигналами такого, чтобы при подаче на входы устройства синфазных сигналов сдвиг фаз между переменными составл ющими скростей V-, и Vj составл л JT. Она

предстс вл ет Собой заполненную воздухом коаксиальную линию.

Электронный измеритель разности фаз сверхвысокочастотных колебаний работает следунмцим образсмл.

Моноэнергетический пучок электронов с током JQ и энергией О , сформированный электронной пушкой 1, проходит сначала через модулирующую секцию модул ции, модулируетс  по

0 скорости сверхвысокочастотным сигналом , поступающим на первый вход устройства, и попадает в анализатор lO, который задерживает замедленные электроны и пропускает ускоренные так, что ток на выходе анализатора

5 10 имеет вид пр моугольных имп ульсов с длительностью, равной половине периода сверхвысокочастотных колебаний , и амплитудой, равной Эд. Далее импульсный ток пучка поступает

0 в секцию 9 модул ции, на которую подаетс  второй исследуемый сигнал. Часть электронов импульса, определ ема  величиной фазового сдвига между исследуемыми сигналами, попадает

5 в тормоз щее поле сверхвысокочастотных колебаний, замедл етс  и задерживаетс  анализатором 11.. Величина разности фаз определ етс  по величи не измеренного индикатором 6 сред0 него тока Эк на коллекторе 4 электронов .

Дл  определени  функциональной зависимости между Э, и f рассмотрим работу устройства более подробно. В отсутствие СВЧ сигналов на входах устройства и напр жений на анализаторах 10 и 11 энергий электронов пучок электронов движетс  в поле фокусирующей системы 2 и за малым исключением рассе нных электронов полностью проходит на коллектор 4 электронов . Ток пучка Эо измер етс  индикатором 6. При подаче тормозsan&ro напр жени  электронный пучок полностью запираетс  анализаторами 10 и 11.

При наличии исследуемого сигнала на первом входе измерител  электронный пучок, взаимодейству  в. модулирукнцей секции 3 с электрическим полем сверхвысокочастотных колебаний , приобретает .на выходе из нее переменную составл ющую продольной скЬрости V }n{tt t +Ч,) (фиг.2с|). Электроны, попавшие в ускор ющий полупериод СВЧ колебаний и получившие после прохождени  модулирующей секции 3 приращение энергии, проход т через тормоз щее поле анализатора 10 энергий электронбв и равное ему поле в анализаторе 11 и попадают на коллектор 4 электронов. Ток на коллекторе 4 представл ет собой последовательность пр моугольных импульсов (фиг. 26). Незначительное отклонение формы импульсов от пр моугольной св зано с наличием энергети ческого разброса частиц пучка. С поступлением сверхвысокочастотных колебаний на второй вход измерител , параметры тока на коллекторе 4 электронов, станов тс  зависимыми от величины разности фаз исследуемых сигналов.При выполнении услови  V2ml. где амплитуда переменной составл ющей скорости /2 + 2) которую приобрел бы пучок во второй модулирующей секции 9 в отсутствии напр жени  на анализаторе 10 и сверхвысокочастотного сигнала на первом входе измерител  (фиг. 2в), чать электронов, составл квдих ток импульс / на выходе . анализатора 1.0 (фиг. «26) , попадает модулирующую секцию 9 в тормоз щий полупериод электрического пол , замедл етс  до энергий, меньших перво начальной энергии пучка, и задержив . етс  анализатором 11. В результате длительность импульсов тока на кол . лекторе 4 электронов укорачиваетс  на величину /W-I, где (фиг. 21). Выполнение услови  |U2tTil при измерени х обеспечиваетс  ослаблением пор дка нескольких децибелл , вносимым аттенюатором 7. Средний за период ток на коллекторе 21г o (-V в зависимости от знака Ч,,, (фиг. 28, иа,е).21 Вследствие конечного времени про лета электронов пучка разность фаз между исследуемыми сигналами Ч отли чаетс  от разности фаз между переменными составл ющими скоростей на некоторую неличину Чр {f-(j .и - W -V и; 21 Ч) где TO - врем  пролета электроном пучка рассто ни  между началом моду лирующей .секции 3 и началом модулирующей секции 9. При измерени х угол fg компенсируетс  фазосдвигающей линией 8 так, чтобы (фиг. 2) Длина линии Р определ етс  из услови  - г T(,u;-j( -U) I , где с - скорость света. Критерием точного удовлетворени  услови   вл етс  равенство нулю тока 5, при подаче на оба входа устройства сигналов от одного источника сверхвысокочастотных колебаний дл  всех частот измер емых сигналов. Подставл   выражение дл  / в выражение дл  3ц, окончательно получаем (фиг. 23) . Таким образом, измери в ток на коллекторе 4 электронов ки зна  полный ток пучка JQ, можно определ ть разность фаз между исследуемы 1и 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. I Црк измерени х разности фаз (#1редлагаемым устройством, принцип работы которого основан на анализе энергий электронов и последующих измерений среднего тока 5, полностью исключаютс  свойственные измерени м по усиливаемой СВЧ мощности, примен емым в прототице, погрешности, обусловленные нестабильностью коэффициента , усилени  и неравномерностью коэффициента передачи четырехполюсников в диапазоне частот. Точность измерений существенно повьпиаетс  также за счет более высокой точности измерителей тока. Так, при использовании в качестве, индикатора 6 измерител  тока класса точности 0,5 измерение часто встречающихс  углов от О до 30° производитс  с точностью /vO,l . Кроме того, значительно повьЛиаетс  чувствительность измерител . Оценка, выполненна  по формуле дл  Ч показывает, что при изменении угла f , например, от 0,5 до 1° показани  индикатора 6 измен ютс  в два раза.

Ж

Ж lf Фие.г

-1

Claims (1)

1. ЭЛЕКТРОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ РАЗНОСТИ ФАЗ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЙ,' содержащий помещенные в вакуумную камеру электронную пушку, модулирующую секцию и коллектор электронов, фокусирующую систему, блок питания, подключенный к электронной пушке, индикатор, фазосдвигающую ли- . нию и аттенюатор, вход которого является первым.входом электронного из-, мерителя,.отл ич ающи й с я 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 элёктронов и коллектор элеРтронов выполнены в виде трех соосных плоских электродов, при 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 соединен с блоком питания через индикатор, при этом аттенюатор соединен с модулирующей секцией, а фазосдвигающая линия, вход которой является вторым входом измерителя - с дополнительной модулирующей секцией.

   фие.1