微波折射率仪在探测海面蒸发波导的应用

　　0　引言

　　电波在大气中传播,由于介质的影响,电波传播的速度要比真空条件下慢,同时大气也是一种不均匀介质,无线电波在大气中传播时,传播路径不是直线,而要发生弯曲,这就产生了折射效应,这种折射效应又因为大气介质随时间和空间的变化做规则的和随机的复杂变化。在卫星通信、无线电测控和导航定位、地面和海上微波、超短波通信中,无线电波的大气折射效应都是必须考虑的重要问题。例如在海上由于有时可出现折射率梯度极不相同的层状结构,可产生波导层,利用波导层就可以实现超视距测量或通信。特别是在我国东南沿海由于地处亚热带与热带地区,海面蒸发波导发生频繁,对海面超视距通信及探测影响巨大,而微波折射率仪由于其原理的特殊性可对蒸发波导的层结构进行实时探测,可直观地将其显示出来。可在蒸发波导层结构探测及研究上发挥特殊的作用。

　　1　微波折射率仪的系统构成

　　微波折射率仪主要是采用微波高Q值谐振腔作为大气采样感应元件,腔体的谐振频率为

　　式中,C1为与谐振腔几何尺寸相关的常数;μ为谐振腔中空气介质的导磁率;ε为谐振腔中空气介质的介电常数。

　　大气折射率通常用符号N表示,并把折射率的专用单位定义为N单位。它与折射指数n的关系为:

　　可知在C1不变的条件下,测得谐振腔体在真空条件下的谐振频率f0,同时测得腔体充入待测空气时的谐振频率相对于真空时谐振频率的变化量Δf,再由式(1)~式(3)可推出腔体偏移频率与真空时的谐振频率比值为

　　根据式(4)可求出腔体内所充气体的折射率值N。

　　从上述理论分析可知,如何在真空谐振频率已知的条件下跟踪腔体内空气介质变化引起频率Δf的变化就成为需要解决的一个重要问题。

　　在实际的工程设计当中,通常采用高稳定度晶体及锁相稳频器输出频率稳定度达到误差要求的f1,调节谐振腔真空时的谐振频率为f2,根据折射率仪N值测量范围为0 ~ 500 N的要求,使得(f2-f1)>500×f2,这样的设计可以使得腔体在被抽成真空时能够精确的标定零值。

　　例如在正常测量状态下,腔体内空气介质使得腔体的谐振频率为fx,而高稳定度晶振的输出频率为f1,二者经混频后取出差频fx-f1,fx为谐振腔的谐振频率,在真空条件下fx=f2,设fx-f1=Δf,则根据公式:

　　可以得出此时的N值应为零。由于Δf是一低频信号,可设为0~7MHz之间,因此可通过对Δf的精密测频,精确地标定系统的零值。

　　在跟踪Δf频率的变化上,国际上通常采用PLL锁相环跟踪频率的变化,即根据相位差来控制压控振荡器(VCO)进而来跟踪频率的变化。