JPS6310381B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はプラズマの密度の測定度に用いられる
マイクロ波の干渉を利用したマイクロ波干渉計測
装置に関し、特に、時間的に変化する位相を即時
に且つ精密に測定するマイクロ波干渉計測装置に
関するものである。

従来、プラズマの密度の測定には、鋸歯状波変
調方式等を利用したマイクロ波干渉計が利用され
ているが、測定結果の即時処理性特に問題があつ
た。

一方、即時処理を行なうために、デイジタル信
号処理可能な３レベル式マイクロ波干渉計測装置
が提案されている。しかし、この装置は位相測定
精度が粗く、十分な分解能に欠けるという欠点が
ある。

本発明の目的は位相測定精度を向上させること
ができ、且つ、信号の即時処理性の点でも優れた
マイクロ波干渉計測装置を提供することである。

本発明の他の目的は容易に製作できる高精度且
つ高感度のマイクロ波干渉計測装置を提供するこ
とである。

以下、図面を参照して説明する。

第１図は従来使用されている３レベル式マイク
ロ波干渉計測装置のブロツク図であり、第２図及
び第３図は第１図の動作を説明するための図であ
る。第１図〜第３図を参照すると、このマイクロ
波干渉計測装置は３レベルの周波数変調用信号を
繰返し周期Ｔで送出する変調器１１及びこの変調
用信号のレベルにしたがつて第２図ａに示すよう
に、Ｔ／３時間毎に₀＋ΔF，₀，₀−ΔFの周波
数変化を行なうマイクロ波を供給するマイクロ波
発振器１２とを有している。マイクロ波発振器１
２からのマイクロ波は信号分配器１３により２つ
に分岐され、一方は遅延線路１４及びプラズマ装
置、例えば、プラズマ核融合装置、等の被測定装
置１５を介してハイブリツド１６に供給され、他
方は直接ハイブリツド１６に供給されている。図
示したマイクロ波干渉計測装置は被測定装置１５
におけるプラズマの密度等を測定するのに用いら
れるものとする。尚、このハイブリツド１６とし
てはマジツクＴ等の180゜ハイブリツド又はシヨー
トスロツト3dB結合器等の90゜ハイブリツドを利
用できる。ここでは、被測定装置１５を含む側を
被測定通路Ｘとし、被測定装置１５を含んでいな
い方を基準通路Ｙとして説明する。また、１３，
１４，１５及び１６の部分はマイクロ波の干渉回
路を構成している。

今、ハイブリツド１６に対して基準通路Ｙを通
して与えられる基準信号ａを ａ＝Asinω₀t ……(1) とし、他方、被測定通路Ｘを通して与えられる被
測定信号ｂを ｂ＝Bsin（ω₀t＋θ） ……(2) とする。但し、ω₀は角周波数、θはＸ，Ｙ通路
の長さの差及び被測定装置１５の状態に依存する
位相差、Ａ及びＢは振幅である。ハイブリツド１
６はその作用により、２乗検波器１７及び１８に
対して、ａ＋ｂ及びａ−ｂの出力をそれぞれ供給
する。各検波器１７及び１８では、各入力の２乗
検波を行ないその結果を差動増幅器１９へ送出す
る。差動増幅器１９は両２乗検波結果の差をとり
次式であらわされる出力Ｄを送り出す。

（ａ＋ｂ）²−（ａ−ｂ）² ……(3) この低周波出力分をとると、差動増幅器１９の
出力Ｄは Ｄ＝2ABcosθ ……(4) のみとなる。この３レベル式マイクロ波干渉計で
は、デイジタル的に被測定装置１５の状態を監視
するために、前述したように、発振器１２の周波
数を変化させている。Ｘ，Ｙ通路に分散がなけれ
ば、即ち、位相特性が直線性を保つていれば、発
振器１２の周波数がf₀から±ΔFだけ変化したと
きにおけるＸ，Ｙ通路間の位相差の変化Δは次
式であらわすことができる。

Δ＝2π・ΔF・Δl／C₀（ラジアン）……(5) （但し、C₀は光速、ΔlはＸ，Ｙ通路間の通路
長の差である。） 第(5)式から明らかな通り、発振器１２の周波数
がf₀からΔFだけ変化すると、その周波数変化に
応じて差動増幅器１９の出力の位相も変化する。
この実施例では、処理を簡略化するために、遅延
線路１４の長さ及び発振器１２の周波数変化ΔF
を選択して、位相差の変化Δを±π／４となる
ようにする。したがつて、差動増幅器１９は発振
器１２の周波数変化による位相差の変化π／４を
伴う出力Ｄを送出する。

差動増幅器１９からの出力Ｄは変調器１１から
送出されるタイミングパルス（第２図ｂ参照）と
共に、サンプラー２０に供給される。各タイミン
グパルスは３レベルの変調用信号の各レベルに対
応した時間内に送出されるから、サンプラー２０
は差動増幅器１９の出力Ｄをt₁，t₂，t₃のタイミ
ングでサンプルする。ここで、第２図のタイミン
グt₁，t₂，及びt₃におけるサンプル結果をそれぞ
れＰ，Ｑ，及びＲとすると、各サンプル結果には
次の位相情報が含まれている。

Ｐ＝cos（θ＋π／４） ……(6) Ｑ＝cosθ ……(7) Ｒ＝cos（θ−π／４） ……(8) これらサンプル結果は一旦バツフアメモリ（図
示せず）に保持された後、複数個の差動増幅器を
含む差動部２１へ同期的に供給される。差動部２
１は３つのサンプル結果Ｐ，Ｑ，Ｒからsinθ及び
cosθを抽出し、出力Ｓ及びＴとして送出する。こ
のために、差動部２１は次の演算を行なう。

尚、係数は差動増幅器の利得を調整することに
よつて与えられる。差動部２１の両出力Ｓ及びＴ
は零判別回路２２に供給される。零判別回路２２
には０，π／２，π及び3π／２に相当する零判
別点が設定されており、到来する差動部２１の出
力Ｓ及びＴの状態を第３図に示された零判別法に
したがつて監視する。零判別とは被測定回路を含
む被測定通路の通過位相量が基準信号の位相量に
対し、位相差がラジアン表示における角度の０，
π／２，π，3π／２のどの位置にあるかを判別
する事を意味している。第３図は論理回路におい
てよく使われる真理値表と同様の意味をあらわ
す。差動部のＳ出力（＝sinθ）が−符号から次の
タイムスロツトで＋符号に変り、Ｔ出力（＝
cosθ）が＋符号から次のタイムスロツトでも＋符
号のままであれば被測定通路と基準通路の位相差
は角度０であると判別される。同様に他の三つの
角度についてもＳ出力とＴ出力の時間的な符号の
変化によつて角度が判別できる。但し位相測定精
度はπ／２ラジアンにすぎない。

ここで、仮に−符号を０，＋符号を１というよ
うに変換すれば、この零判別回路は通常の論理回
路で構成できる。例えば、差動部２１の出力Ｓ及
びＴが進相方向に変化している状態では、零判別
回路２２は各零別判点に対する両出力の変化状態
から進相方向であることを検出すると共に、両出
力が各零判別点と交叉する度毎に正（＋）パルス
を送出し、アツプダウン計数器２３をカウントア
ツプさせる。一方、零判別回路２２は、両出力が
遅相方向に変化していれば両出力が各零判別点と
交叉する毎に、負（−）パルスを送出し、アツプ
ダウン計数器２３をカウントダウンさせる。アツ
プダウン計数器２３は零判別回路２２からの位相
変化信号を積算する。

以上述べたように、従来の３レベル式マイクロ
波計測装置の位相測定精度は±π／４ラジアン、
即ち、π／２ラジアンステツプであり、十分な測
定精度が得られない。

第４図を参照すると、本発明の一実施例に係る
マイクロ波干渉計測装置は第１図で用いられた変
調器１２の代りに、変調器２４を備えている。こ
の変調器２４は周波数変調用信号のほかに、位相
変調用信号及びｎ系列のサンプリングパルスCL₁
〜CL_oを送出する。繰返し周期Ｔの周波数変調用
信号は第１図と同様にマイクロ波発振器１２に供
給され、マイクロ波発振器１２は第５図ａに示す
ような周波数変調されたマイクロ波を送出する。
位相変調用信号は第５図ｂに示すように、Ｔ／３
の周期で繰返し、且つ、ステツプ状に変化するス
テツプ信号である。今、位相測定精度を従来のｎ
（ｎ≧２）倍にするとき、即ち、π／2nラジアン
ステツプにするときには、位相変調器用信号とし
て、Ｔ／3n秒毎に、０とπ／２ラジアンの間を
ｎ等分した値に相当するπ／2nラジアンのステ
ツプ幅を持つて変化するステツプ信号を使用す
る。更に、変調器２は第５図ｃに示すように、
Ｔ／３の繰返し周期を持つｎ系列のサンプリング
パルスCL₁〜CL_oを位相変調用信号の各ステツプ
に対応した時間に送出する機能を備えている。し
たがつて、互いに隣り合う２つの系列のサンプリ
ングパルスはＴ／3nだけ時間がずれていること
がわかる。

更に第４図を参照すると、この計測装置は基準
回路Ｙの信号分配器１３とハイブリツド１６との
間に、位相変調器２５を備え、この位相変調器２
５には第５図ｂに示すようなステツプ状に変化す
る位相変調用信号が供給される。尚、この実施例
では位相変調器２５が基準通路Ｙに設けられてい
るが、被測定通路Ｘに設けてもよい。第１図と同
様に、ハイブリツド１６の出力を受ける２つの２
乗検波器１７及び１８及び差動増幅器１９が備え
られている。差動増幅器１９の出力Ｄはｎ系列の
出力D₁〜D_oに分割され、ｎ個のサンプラー２０
―１〜２０―ｎにそれぞれ供給される。各サンプ
ラー２０―１〜２０―ｎにはそれぞれＴ／３の繰
返し周期を有し、且つ、互いにＴ／3nだけ時間
のずれたサンプリングパルスCL₁〜CL_oが与えら
れている。したがつて、各サンプラー２０―１〜
２０―ｎは３レベルの周波数変調用信号の各レベ
ル毎にサンプル結果P₁，Q₁，R₁〜P_o，Q_o，R_oを
対応する差動部２１―１〜２１―ｎに送出する。
尚、一連のサンプル結果P₁〜P_o；Q₁〜Q_o；及び
R₁〜R_oは、例えば、P₁〜P_oのサンプル結果間の
関係からも明らかな通り、Ｔ／3nの時間間隔を
置いた時間位置におけるサンプル結果をあらわし
ている。差動部２１―１〜２１―ｎではサンプル
結果P₁，Q₁，R₁〜P_o，Q_o，R_oからsinθ及びcosθ
をあらわすS₁〜S_o及びT₁〜T_oをそれぞれ生成し
て、零判別回路２２―１〜２２―ｎに供給する。
ここで、位相変調器２５にはπ／2nのステツプ
幅を有する位相変調用信号が供給されており、第
ｎ番目の出力系列D_oのマイクロ波干渉位相は第
１番目の出力系列に対して（ｎ−１）π／2nは
ラジアンだけずれている。したがつて、零判別回
路２２―１では第６図に示すように０，π／２，
π，及び3π／２で零判別が行なわれ、他方、零
判別回路２２―２ではπ／2nだけずれた位置で
零判別が行なわれる。以下同様に、第ｎ番目の系
列D_oでは（ｎ−１）π／2nだけずれた位置にお
いて零判別が行なわれる。上に述べたことからも
明らかな通り、位相変調用信号のステツプ数をｎ
とすれば、位相測定精度がｎ倍向上する。各零判
別回路２２―１〜２２―ｎの正及び負パルスはそ
れぞれオア回路２８及び２９を通してアツプダウ
ン計数器２３に供給される。

第７図を参照すると、本発明の第２の実施例は
局部発振器３０及び電力分配器３１とを有し、局
部発振器３０は周波数_eの局部発振信号を供給す
る。この局部発振信号は被測定通路Ｘ及び基準通
路Ｙに挿入された混合器３３及び３４でマイクロ
波発振器１２からの周波数変調された周波数₀，
₀±ΔFのマイクロ波と混合され、周波数_if（＝｜
₀−_l｜）の中間周波信号に変換される。混合器
３３の出力は中間周波帯における遅延線路３５を
介してハイブリツド３６に供給される。一方、混
合器３４の出力は中間周波帯の位相変調器３７を
通してハイブリツド３６に送られる。ハイブリツ
ド３６の出力は中間周波帯の２乗検波器３８及び
３９を通して差動増幅器１９に与えられ、マイク
ロ波帯における処理と同様な処理が行なわれる。
差動増幅器１９以降の回路は第４図に示す実施例
と同様であるから、ここでは説明を省略する。

マイクロ波の位相情報は周波数変換しても保存
されるので、１３，１４，１５，３３，３４，３
５，３６，３７の回路もマイクロ波干渉回路を構
成している。中間周波帯では、マイクロ波帯より
高精度の位相変調器を容易に製作でき、増幅器の
利用も容易であるから、マイクロ波を中間周波数
に変換することによつて、高精度，高感度のマイ
クロ波干渉計測装置を得ることができる。尚、被
測定通路Ｘと基準通路Ｙの通路差Δ_lは遅延線路１
４と３５の和となる。また、位相変調器３７はマ
イクロ波回路に挿入してもよいことは勿論であ
る。

また、マイクロ波発振器１２への周波数変調は
破線で示すように局部発振器３０にかけてもよ
く、これは局部発振器３０に変調器をかけやすい
ときに有効である。この場合、Δ_lとしては遅延線
路３５の遅延量のみが₀＋ΔFと₀、又は、₀と₀
−ΔF間のπ／４の位相差に寄与することは言う
までもない。

上に述べた実施例では遅延線路を被測定通路に
挿入した場合について述べたが、基準通路に挿入
してもよいことは勿論である。

以上説明したように、本発明によれば、従来の
３レベル式マイクロ波干渉計測装置の欠点であつ
た位相測定精度の粗さを改善するために、マイク
ロ波帯又は中間周波帯の干渉回路内に位相変調器
を備えている。この位相変調器により、基準通路
及び被測定通路の一方を通過する信号に０〜π／
２ラジアンを多分割するような位相変調をかけ
る。これによつて、零判別回路における零判別点
を増加させることができ、位相測定精度を向上さ
せることが可能である。また、この位相変調器に
マイクロ波発振器の周波数変調波の繰返し周期よ
り早い周期で位相変調をかけて零判別点を増加さ
せる方法は３レベル式マイクロ波干渉計測装置に
限らず、マイクロ波発振器の周波数を２値で変調
する方法、あるいは鋸歯状波で変調する方法にも
同様に適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のマイクロ波干渉計測装置のブロ
ツク図、第２図はその動作説明図、第３図は第１
図において用いられる零判別法を説明する図、第
４図は本発明による第１の実施例のブロツク図、
第５図及び第６図はその動作説明図、第７図は本
発明による第２の実施例を示すブロツク図であ
る。 記号の説明、１１：変調器、１２：マイクロ波
発振器、１３：信号分配器、１４：遅延線路、１
５：被測定装置、１６：ハイブリツド、１７，１
８：マイクロ波２乗検波器、１９：差動増幅器、
２０，２０―１〜２０―ｎ：サンプラー、２１，
２１―１〜２１―ｎ：差動部、２２，２２―１〜
２２―ｎ：零判別回路、２３：アツプダウン計数
器そして２４：変調器、２５：位相変調器、２
８，２９：オア回路、３０：局部発振器、３１：
電力分配器、３３，３４：混合器、３５，３７，
３６，及び３８，３９：それぞれ中間周波数帯の
遅延線路、位相変調器ハイブリツド，及び２乗検
波器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 予め定められた繰返し周期を有する第１の変
   調用信号により周波数変調されたマイクロ波を送
   出するマイクロ波発振器と、前記マイクロ波を信
   号分配器にて二分し、第１の信号は時間的に変化
   する通過位相定数をもつ被測定装置を通過する第
   １の通路に供給し、第２の信号は被測定装置を通
   過しない基準信号とする第２の通路に供給し、第
   １，第２の信号をハイブリツドにて合成し、マイ
   クロ波２乗検波器および差動増幅器によつて、前
   記被測定装置を通過する信号と前記基準信号との
   間の位相差を検出して、前記被測定装置の時間的
   に変化する通過位相の計測を行なうマイクロ波干
   渉計測装置において、前記第１の変調用信号の繰
   返し周期より速い繰返し周期の第２の変調用信号
   を送出する変調回路と、前記第１及び第２の通路
   のいずれか一方に挿入され、前記第２の変調用信
   号により、位相変調をかけ、前記被測定信号及び
   前記基準信号のいずれか一方として送出する位相
   変調器と、前記差動増幅器及び前記変調回路の出
   力を処理して前記通過位相を計測する手段とを有
   することを特徴とするマイクロ波干渉計測装置。