三角波扫频式微波干涉仪研究

　　1 引言

　　微波干涉仪是利用微波或光波通过与不通过被测物等离子体时的相移差的关系, 来确定被测物等离子体的电子密度。由于扫频微波干涉仪具有较多的优点,得到广泛地应用。实际扫频的方式多种多样的, 用锯齿波来扫描是最基本的, 但是当锯齿波的频率变高时, 锯齿波的非线性和逆程过程相对变长就会越来越明显。对其进行分析发现, 当锯齿波变成三角波时, 电路和系统呈现一些新的特点, 需要新的方法和思路来处理。

　　2 工作原理分析

　　因为微波干涉仪是扫频式, 不妨设扫频三角波如图1 所示,在区间[0,T]上是呈三角形变化, 并完成了一个完整的扫描周期。微波源的频率受三角波调制, VCO的频率特性是:

　　其角频率在区间[0,T]可以写成:

　　式中, 为电磁波通过参考支路和测量支路的时间差,为参考支路和测量支路的电长度之差。

　　调整初始相位使得:

　　忽略三角波顶端和底端过渡时间段τ的频率的变化形式, 式(6)得

　　式(6)就是理想的锯齿波干涉仪的基本公式。

　　3 三角波扫频式干涉仪的性质

　　三角波扫频干涉仪的性质中有些性质和锯齿波扫频干涉仪相同, 但还有一些特殊突出优越的性质,现分析如下:

　　特性一: 三角波干涉仪的中频输出信号的相位经过调制周期T 后重复。由(2)式可知, 是一个周期函数, 周期为 T, 从而可知在静态即时, 三角波扫频干涉仪的信号, 在混频滤波后的波形是以T 为周期的周期函数。换句话说, 式(8)在时间轴上连续复制, 就是混频滤波后的波形。

　　特性二: 被测相位的引入, 会使路程差发生变化, 但较小时, 路程差变化对相位测量引起的误差很小。当测量相位较小时(一般小于几百度), 由于被测相位的引入, 三角波调制的干涉仪的混频滤波后的波形会发生变化, 但两路程的时间差基本不变, 换句话说, 正程和逆程频率产生的变化量很小, 引起的测相误差极小。

　　因为我们一般在电路中取扫频带宽比VCO 微波频率f 小100 倍以上, 测量相位小于360 度, 故路程差由于被测量相位引入而产生的变化率为很小。

　　由测量相位为引起的路程差的变化而引入的测量最大误差为

　　特性三: 三角波调制扫频式干涉仪在正程和逆程测量的相位相反, 由τ的变化引入的测量误差也相反。从式(5)可以很清楚看到这一点, 因此, 用普通的鉴相器无法解调出。如果把正程和逆程测量的相位相减, 可以获的两倍的, 利用这性质, 可以提高测量精度。

　　实际运用中使用式(13)不方便, 稍作变换可以得到(17)由式(17)可以很方便地计算初始相位的变化及被测相位, 这是用三角波调制并用数字鉴相具有的特有的优点。