Спосіб вимірювання енергетичного спектра слабких радіовипромінювань

Спосіб вимірювання енергетичного спектра слабких радіовипромінювань, який полягає в тому, що приймають антеною досліджуване радіовипромінювання, вихідний сигнал антени подають на вибірковий приймач, що настроюється на необхідну ділянку спектра випромінювання, вимірюють значення вихідної напруги U1 вибіркового приймача, перемикають вибірковий приймач на еквівалент антени, вимірюють значення вихідної напруги U2 вибіркового приймача, який відрізняється тим, що після вимірювання кожної з вказаних на пруг вибіркового приймача їх перетворюють у відповідні коди N1 і N2 , які запам'ятовують, форму Корисна модель відноситься до радіовимірювальної техніки і може бути використана для вимірювання енергетичного спектру слабких радіовипромінювань від різних об'єктів із широким спектром випромінювання, переважно шумових радіовипромінювань у діапазоні надвисоких частот (НВЧ). Енергетичний спектр W(f) характеризує розподіл потужності радіовипромінювань за спектром частот. Відомий спосіб вимірювання енергетичного спектру слабких радіовипромінювань, при якому вузькосмуговим (вибірковим) приймачем виділяються вузькі ділянки спектру досліджуваного радіовипромінювання і виміряється дисперсія (середня потужність) на кожній ділянці [див. Кушнир Ф.В. Электроизмерения: Учебное пособие для ВУЗов.- Л. Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1988. - С.245]. При цьому способі оцінка енергетичного спектру здійснюється за формулою U2 X, 2 f де f - частота настроювання вибіркового приймача; U 2 - дисперсія прийнятого сигналу; 2 f X смуга пропускання частот вибіркового приймача. Проте нестабільність крутості перетворення (чутливості) вузькосмугового приймача не дозволяє за значенням вихідної напруги приймача достовірно оцінювати дисперсію спектру радіовипромінювання при різній частоті настроювання. Для підвищення точності вимірювання енергетичного спектру радіовипромінювань використовують спосіб калібрування вибіркових приймачів [див. Верник С.М., Кушнир Ф.В., Рудницкий В.Б. Повышение точности измерений в технике связи. М.: Радио і связь, 1981. - С.170-171], заснований на підстроюванні чутливості приймача за каліброваним сигналом. (11) UA (19) W (f ) 18320 (13) де f - частота настроювання вибіркового приймача; 2 f - смуга пропускання частот спектра радіовипромінювання; K 0 - коефіцієнт передачі атенюатора, який відповідає нульовому значенню різницевого коду; U 2 - дисперсія шумів еквіваленЭ та антени. U ють різницевий код напруг N1 N2 , змінюють код керування коефіцієнта передачі атенюатора в напрямку зменшення різниці кодів напруг вибіркового приймача, фіксують код керування атенюатором, який відповідає нульовому значенню різницевого коду, і обчислюють поточне значення спектральної щільності енергетичного спектра W ( f ) прийнятого радіовипромінювання за наступною формулою: 1 K0 2 W( f ) U , 2K0 f Э 3 При дослідженні шумових радіовипромінювань використовують калібрування по напрузі джерела еталонного шуму. Однак можливість одержання стабільного шуму з рівномірною спектральною щільністю обмежена, що ускладнює використання цього способу при аналізі слабких широкосмугових випромінювань. Відомий спосіб вимірювання енергетичного спектру слабких радіовипромінювань, [див. Головко Д.Б., Скрипник Ю.О., Яненко О.П. Надвисокочастотні методи та засоби вимірювання фізичних величин: Навчальний посібник. - К.: Либідь, 2003. С.72-74], заснований на порівнянні НВЧ сигналу антени з НВЧ шумами каліброваного навантаження, що еквівалентно опору і шумам антени, і виділенні у вузькосмуговому приймачі різницевого сигналу, пропорційного прийнятому радіовипромінюванню. Використання цього способу дозволяє виключити вплив власних шумів приймача, що дає можливість вимірювати енергетичний спектр слабких радіовипромінювань, рівень яких менше власних шумів приймача й антени. Однак нестабільність крутості перетворення самого приймача з вузькою смугою пропускання знижує точність вимірювання дисперсії прийнятого сигналу. Відомий також спосіб вимірювання енергетичного спектру слабких радіовипромінювань [див. патент України №70229А, МІЖ G01S13/00, 2004, Бюл. №9], який полягає в тому, що приймають антеною досліджуване радіовипромінювання, вихідний сигнал антени подають на вибірковий приймач, що настроюється на необхідну ділянку спектру випромінювання, вимірюють значення вихідної напруги U1 вибіркового приймача, перемикають вибірковий приймач на еквівалент антени, вимірюють значення вихідної напруги U2 вибіркового приймача. Крім того, відомий спосіб включає операції порівняння вихідного сигналу приймача з еталонною напругою шумового генератора, пропущення прийнятого випромінювання через радіопрозору пластину з каліброваним коефіцієнтом пропущення, одержання коду N3 і визначення дисперсії радіовипромінювання за значенням дисперсії еталонного шуму. Складність генерування еталонного шуму з рівномірною спектральною щільністю випромінювання в широкому діапазоні надвисоких частот не дозволяє одержати високу точність вимірювання енергетичного спектру слабких радіовипромінювань. Крім того, у ряді випадків, наприклад, при контактному прийомі випромінювання за допомогою аплікаторної антени, узагалі неможливо каліброване ослаблення прийнятого випромінювання на вході антени. В основу корисної моделі покладена задача створити такий спосіб вимірювання енергетичного спектру слабких радіовипромінювань, у якому шляхом введення нових операцій забезпечувалося би підвищення точності вимірювання енергетичного спектру слабких радіовипромінювань у широкому діапазоні частот радіовипромінювань. Поставлена задача вирішується тим, що в спосіб вимірювання енергетичного спектру слаб 18320 4 ких радіовипромінювань, який полягає в тому, що приймають антеною досліджуване радіовипромінювання, вихідний сигнал антени подають на вибірковий приймач, що настроюється на необхідну ділянку спектру випромінювання, вимірюють значення вихідної напруги U1 вибіркового приймача, перемикають вибірковий приймач на еквівалент антени, вимірюють значення вихідної напруги U2 вибіркового приймача, згідно з корисною моделлю, після вимірювання кожної з вказаних напруг вибіркового приймача їх перетворюють у відповідні коди N1 і N2, які запам'ятовують, формують різницевий код напруг N1-N2, змінюють код керування коефіцієнта передачі атенюатора в напрямку зменшення різниці кодів напруг вибіркового приймача, фіксують код керування атенюатором, який відповідає нульовому значенню різницевого коду, і обчислюють поточне значення спектральної щільності енергетичного спектру W(f) прийнятого радіовипромінювання за наступною формулою: 1 K0 2 W( f ) U , 2K0 f Э де f - частота настроювання вибіркового приймача; 2 f - смуга пропускання частот спектру радіовипромінювання; К0 - коефіцієнт передачі атенюатора, який відповідає нульовому значенню різницевого коду; U 2 - дисперсія шумів еквіваленЭ та антени. Введення нових операцій з ослаблення кодокерованим атенюатором у задане кодом керування число раз сигналу, прийнятого антеною, перетворення напруг у відповідні коди, порівняння коду ослабленого сигналу антени з кодом сигналу еквівалента антени, формування різницевого коду, зміна коду керування атенюатором у напрямку зменшення різниці порівнюваних кодів, фіксація коду керування атенюатором, який відповідає нульовій різниці порівнюваних кодів, і обчислення спектральної щільності енергетичного спектру прийнятого радіовипромінювання за запропонованою формулою дозволяє виключити вплив похибок вибіркового приймача, а також власних шумів антени і приймача, на результат обчислення, що підвищує точність вимірювання дисперсії слабких радіовипромінювань у широкому діапазоні частот радіовипромінювань. На кресленні представлена функціональна електрична схема, за допомогою якої реалізується запропонований спосіб. Схема містить антену 1 і її електричний еквівалент 2. Антена 1 через кодокерований атенюатор 3 з'єднана з одним із входів НВЧ перемикача 4, до іншого входу якого підключений еквівалент 2 антени 1. Вихід НВЧ перемикача 4 з'єднаний із сигнальним входом вибіркового приймача 5, гетеродинний вхід якого з'єднаний з кодокерованим синтезатором частот 6. Вихід вибіркового приймача 5 з'єднаний із входом аналого-цифрового перетворювача 7, цифровий вихід якого підключений до входу мікроЕОМ 8. До виходів мікроЕОМ 8 підключені цифровий індикатор 9 і принтер 10. Керуючі входи НВЧ перемикача 4, кодокерованого ате 5 нюатора 3 і кодокерованого синтезатора частот 6 також підключені до виходів мікроЕОМ 8. Спосіб вимірювання енергетичного спектру радіовипромінювань здійснюється за програмою, записаною в пам'ять мікроЕОМ, у наступній послідовності. НВЧ випромінювання від досліджуваного об'єкта приймається антеною 1. Власне випромінювання багатьох фізичних і біологічних об'єктів у діапазоні НВЧ дуже слабке і має шумовий характер. Прийнятий шумовий сигнал і власні шуми антени між собою некорельовані. Тому дисперсію вихідного сигналу антени 1 можна представити у вигляді суми двох дисперсій: (1) U2 U2 U2 , A X Ш1 де U 2 - дисперсія вихідного сигналу антени 1 у A смузі прийому вибіркового приймача 5; U 2 - дисX персія прийнятого радіовипромінювання; U 2 Ш1 дисперсія власних шумів антени 1. Еквівалент 2 антени 1 має опір і шуми, що дорівнюють опору і шумам антени 1. Тому дисперсію вихідного сигналу еквівалента 2 антени 1 виразимо через дисперсію сигналу антени 1: (2) U2 U2 , Ш1 Э де U 2 - дисперсія шумів еквівалента антени 2. Э При зазначеному положенні НВЧ перемикача 4 сигнал від еквівалента 2 антени 1 надійде на вхід вибіркового приймача 5, частота настроювання якого задається кодом частоти кодокерованого синтезатора частот 6. З урахуванням температурної і часової нестабільності перетворювальної характеристики і власних шумів вибіркового приймача 5, його вихідну постійну напругу можна представити у вигляді: (3) U1 S(1 )( U 2 U 2 ) U, Ш2 Э де S - номінальна крутість перетворення вибіркового приймача 5; S S - відносна похибка перетворення через зміну чутливості вибіркового приймача 5 (мультиплікативна похибка); U 2 Ш2 дисперсія власних шумів вибіркового приймача 5, приведена до його входу; U - абсолютна похибка перетворення від зсуву нуля вибіркового приймача 5 (адитивна похибка). Вихідна напруга вибіркового приймача 5 перетворюється в код TV, за допомогою аналогоцифрового перетворювача 7 і вводиться в пам'ять мікроЕОМ 8: S(1 )( U 2 U 2 ) U Ш2 Э (4) N1 , q де q - одиниця молодшого розряду аналогоцифрового перетворювача 7. По команді мікроЕОМ 8 НВЧ перемикач 4 переводиться у протилежне положення. При цьому еквівалент 2 антени 1 відключається, а антена 1 підключається до вибіркового приймача 5 через 18320 6 кодокерований атенюатор 3. Рівень власних шумів вибіркового приймача 5 при цьому не змінюється завдяки рівності опорів антени 1 і її еквівалента 2. Вихідна напруга вибіркового приймача 5 приймає значення U2 S(1 ) K( U 2 U 2 ) U 2 U, (5) X Ш1 Ш2 де К - коефіцієнт передачі кодокерованого атенюатора 3 за потужністю. У мікроЕОМ 8 вводиться нове значення коду напруги: S(1 ) K( U 2 U 2 ) U 2 U X Ш1 Ш2 (6) N2 , q У мікроЕОМ 8 порівнюються коди N1 й N2 i формується різницевий код, що з урахуванням рівності (2) приймає значення S(1 ) K( U 2 (1 K )U 2 ) X Ш1 (7) N2 N2 N1 , q При коефіцієнті передачі кодокерованого атенюатора 3 К=1/2 різницевий код (8) N2 0,5S(1 )( U 2 U 2 ). X Ш1 Відповідно до виразу (2) маємо (9) N2 0,5S(1 )( U 2 U 2 ). X Э Як видно із співвідношення (9), різницевий код N2 не залежить від рівня шумів вибіркового приймача 5 і його адитивної похибки U . Проте різницевий код залежить від мультиплікативної похибки , яка у вибірковому приймачі 5 через нестабільність чутливості велика. Тому за атестованими шумами U 2 еквівалента антени 2 не можна Э достовірно оцінити дисперсію прийнятого радіовипромінювання U 2 . X Для підвищення точності вимірювання дисперсії U 2 змінюють код управління кодокерованого X атенюатора 3 у напрямку зменшення різницевого коду (7). При досягненні нульового значення різницевого коду ( N1=0) одержуємо (10) K0 U 2 (1 K0 )U 2 ) 0, X Ш1 де K0 - коефіцієнт передачі кодокерованого атенюатора 3, що відповідає нульовому різницевому коду. З урахуванням виразу (2) остаточно одержуємо 1 K0 2 U2 U . (11) X Э K0 У мікроЕОМ 8 з урахуванням частоти настроювання вибіркового приймача 5 і його смуги пропускання проміжних частот обчислюється поточне значення спектральної щільності енергетичного спектру прийнятого випромінювання 1 K0 2 W( f ) U , (12) 2K0 f Э де f - частота настроювання вибіркового приймача 5; 2 f - смуга частот спектру радіовипромінювання, яка виділяється вибірковим приймачем 5. 7 18320 Програмною зміною коду настроювання кодокерованого синтезатора частот 6 перебудовують частоту настроювання вибіркового приймача 5 й одержують відповідні значення енергетичного спектру. На цифровий індикатор 9 виводяться поточні значення спектральної щільності енергетичного спектру, а на принтері 10 реєструється вся характеристика спектру в діапазоні частот від fmin до fmax. Таким чином, за запропонованим способом можна виміряти і зареєструвати енергетичний спектр слабких радіовипромінювань без впливу адитивної ( U) і мультиплікативної ( ) похибок вибіркового приймача 5. При цьому також виключається вплив на результат вимірювання власних шумів антени 1 ( U 2 ) і вибіркового приймача 5 Ш1 2 ). (U Ш2 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 8 Дослідження показали, що якщо антена і її еквівалент знаходяться в однакових температурних умовах, то досить просто стабілізуються і зрівнюються їхні власні шуми. Це дозволяє при флуктуа-22 ційному порозі чутливості приймача 10 ...10 21 Вт/Гц і спектральній щільності квадрата шумової напруги резистивного еквіваленту антени 1017 2 В /Гц упевнено реєструвати енергетичний спектр власних радіовипромінювань, наприклад, радіо теплових випромінювань біологічних об'єктів у діапазоні значень 10-21…10-19Вт/Гц. Похибка вимірювання визначається в основному мінливістю шумової напруги еквівалента антени. У резистивному еквіваленті відносна похибка не перевищує 10% при часі усереднення результатів вимірювання в межах 3...5с, що здійснюється в аналогоцифровому перетворювачі інтегруючого типу. Зменшення випадкових похибок досягається шляхом багаторазових вимірів (більше 20) сигналів антени і її еквівалента. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601