Нвч-радіометр

НВЧ-радіометр, який містить НВЧ-антену, квадратичний детектор, до виходу якого під'єднані послідовно з'єднані вузькосмуговий підсилювач частоти комутації, синхронний детектор, фільтр нижніх частот та індикатор, комутаційний генера тор низької частоти, парафазні виходи якого з'єднані з керуючими входами синхронного детектора, який відрізняється тим, що в нього введені хвилевідний суматор, генератор еталонного НВЧшуму, градуйований атенюатор і два хвилевідні ключі, керуючі входи яких з'єднані тільки з одним із парафазних виходів комутаційного генератора низької частоти, вихід НВЧ-антени через перший хвилевідний ключ з'єднаний з одним входом хвилеводного суматора, другий вхід якого з'єднаний з виходом генератора еталонного НВЧ-шуму через градуйований атенюатор, паралельно якому увімкнений другий хвилевідний ключ, а вихід хвилевідного суматора з'єднаний з входом квадратичного детектора. Корисна модель відноситься до техніки вимірювання на надзвичайно високих частотах (НВЧ) і може бути використаний для вимірювання потужності радіовипромінювань від фізичних і біологічних об'єктів в широкому спектральному діапазоні НВЧ. Радіометри широко використовуються в різних галузях науки і техніки для вимірювання слабких радіовипромінювань, рівень яких часто нижче рівня власних шумів самих радіометрів. В діапазоні НВЧ (30-300ГГц) із-за відсутності широкосмугових підсилювачів НВЧ-радіометри виконується з супергетеродинним перетворюванням частоти вхідного сигналу, що приймається НВЧ антеною (див. Патент №53790 (Україна). МПК G01R 29/08, 2000, Бюл. №2. 2003). Необхідне підсилення прийнятого сигналу до детектора здійснюється на проміжній частоті (50-200МГц). Однак виділення і вузькосмугове підсилення сигналу проміжної (різницевої) частоти звужує смугу радіовипромінювання, що приймається, до десятків або сотень МГц, що призводить до зниження чутливості і зростання флуктуаційного порогу чутливості НВЧ-радіометра. Двократне перетворення частоти в схемі НВЧрадіометра (див. Скрипник Ю.О., Маношов В.П., Япенко О.П. Модуляційні радіометричні пристрої та системи НВЧ-діапазону: Навчальний посібник. Житомир: ЖІТІ, 2001. - С 172-173) підвищує завадозахищенність НВЧ-радіометра. Але одночасно ще більше звужується смуга приймання радіовипромінювань, а отже чутливість радіометра. Підвищення проміжної частоти НВЧрадіометра до декількох ГГц розширює смугу приймання радіовипромінювань (див. Бережной В.А., Кужель В.Й., Игнатенко B.C. и др. Высокочувствительный модуляционный радиометрический приемник диапазона частот 92-96ГГц // Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2003. - №3. - С. 21-22). Це підвищує чутливість НВЧ-радіометра і знижує його флуктуаційний поріг. Але розширити смуту приймання на десятки ГГц не вдасться, особливо при роботі в низькочастотному НВЧ діапазоні (30-50ГГц). Найбільш близьким по суті технічного рішення є НВЧ-радіометр (див. Патент №57820 (Україна), МПК G01R 29/26, 2000, Бюл. №7, 2003) без перетворення частоти, який містить в собі НВЧ-антену, квадратичний детектор, до виходу якого підключені послідовно з'єднані вузькосмуговий підсилювач частоти комутації, синхронний детектор, фільтр нижніх частот і індикатор, комутаційний генератор низької частоти, парафазні 00 CM 4128 виходи якого з'єднані з керуючими входами синхронного детектора. Крім того, відомий НВЧ-радіометр містить в собі еквівалент антени, автоматичний перемикач, входи якого з'єднані з виходом антени і еквівалентом антени, попередній підсилювач квадратичного детектора і блок компенсації у складі диференційного підсилювача, фазообертача і подільника напруги, один вхід якого з'єднаний з виходом квадратичного детектора, другий вхід з'єднаний з комутаційним генератором низької частоти, вихід з'єднаний з вузькосмуговим підсилювачем частоти комутації. Відсутність в схемі НВЧ-радіометра вузькосмугового підсилювача проміжної частоти забезпечує широку смугу приймання радіовипромінювань від об'єктів різної фізичної природи. Але відсутність додаткового підсилення сигналу до квадратичного детектора не дозволяє детектувати слабкі сигнали, рівень яких знаходиться нижче рівня шумів детектора і за межами лінійної ділянки характеристики квадратичного детектування, що обмежує чутливість НВЧ-радіометра. Підвищення підсилення в низькочастотній частині НВЧрадіометра веде до зниження точності вимірювання потужності радіовипромінювань через неминучі нестабільності коефіцієнта підсилення вузькосмугового підсилювача частоти комутації і низькочастотних шумів, які потрапляють у смугу пропускання підсилювача. В основу корисної моделі поставлене завдання удосконалення НВЧ-радіометра шляхом введення нових елементів і зв'язків, які забезпечили б підвищення чутливості і точності НВЧ-радіометра без попереднього підсилення і при широкій смузі приймання слабких радіовипромінювань. Поставлене завдання досягається тим, що в НВЧ-радіометр, який містить в собі НВЧ-антену, квадратичний детектор, до виходу якого під'єднані послідовно з'єднані вузькосмуговий підсилювач частоти комутації, синхронний детектор, фільтр нижніх частот та індикатор, комутаційний генератор низької частоти, парафазні виходи якого з'єднані з керуючими входами синхронного детектора, згідно корисної моделі введені хвилеводний суматор, генератор еталонного НВЧ шуму, градуйований атенюатор і два хвилеводні ключі, керуючі входи яких з'єднані тільки з одним із парафазних виходів комутаційного генератора низької частоти, вихід НВЧ-антени через перший хвилеводний ключ з'єднаний з одним входом хвилеводного суматора, другий вхід якого з'єднаний з виходом генератора еталонного НВЧ шуму через градуйований атенюатор, паралельно якому увімкнений другий хвилеводний ключ, а вихід хвилеводного суматора з'єднаний з входом квадратичного детектора. Введення в схему НВЧ-радіометра хвилеводного суматора, генератора еталонного НВЧ шуму, градуйованого атенюатора і двох хвилеводних ключів, керуючі входи яких з'єднані з парафазними виходами комутаційного генератора низької частоти, з'єднаних між собою вказаним чином, дозволяє почергово з низькою частотою подавати на квадратичний детектор НВЧ сигнали високого рівня від генератора еталонного НВЧ шуму, до того ж в один такт роботи хвилеводних ключів на вході квадратичного детектора підсумується сигнал НВЧ-антени і ослаблений у відоме число разів еталонний НВЧ шум, в другий такт роботи хвилеводних ключів на вхід квадратичного детектора поступає тільки еталонний НВЧ шум без послаблення. Послаблення регулюється до досягнення нульового показання НВЧ-радіометра, а відлік потужності прийнятого радіовипромінювання проводять за шкалою градуйованого атенюатора в ланцюгу генератора еталонного НВЧ шуму. Відсутність підсилення НВЧ сигналу, прийнятого антеною, розширює смугу частот в спектрі детектованого сигналу, а високий рівень еталонного НВЧ шуму забезпечує високу чутливість квадратичного детектора, а отже, і всього радіометра. Нульовий режим НВЧ-радіометра виключає вплив його власних шумів і похибок перетворення на результат вимірювання потужності, що підвищує його точність при широкій смузі приймання слабких радіовипромінювань. Сутність корисної моделі пояснюється рисунком, на якому приведена функціональна схема НВЧ-радіометра. Радіометр містить в собі НВЧ-антену 1, до виходу якої через хвилеводний ключ 2 підключений одним входом хвилеводний суматор 3. Другий вхід хвилеводного суматора з'єднаний з генератором 4 еталонного НВЧ шуму через градуйований атенюатор 5, який зашунтований хвилеводним ключем 6. До виходу хвилеводного суматора під'єднані послідовно сполучені квадратичний детектор 7, вузькосмуговий підсилювач 8 частоти комутації і синхронний детектор 9, керуючі входи якого з'єднані з парафазними виходами комутаційного генератора 10 низької частоти. До виходу синхронного детектора під'єднані послідовно сполучені фільтр 11 нижніх частот і індикатор 12. Керуючі входи хвилеводних ключів 2 і 6 з'єднані з протифазними виходами комутаційного генератора 10 низької частоти. НВЧ-радіометр працює наступним чином. Широкосмугове радіовипромінювання від об'єкта приймається НВЧ-антеною 1 і через замкнутий хвилеводний ключ 2 поступає на один вхід хвилеводного суматора 3. На другий вхід хвилеводного суматора 3 поступає еталонний НВЧ шум від генератора 4, який послаблюється градуйованим атенюатором 5 при розімкнутому ключі 6. Сумарний сигнал впливає на вхід квадратичного детектора 7, де детектується і усереднюється. Потужність еталонного НВЧ шуму Р э вибирається достатньою для ЇЇ безпосереднього детектування квадратичним детектором 7 на лінійній ділянці його характеристики. Враховуючи, що сигнал НВЧ-антени 1 від прийнятого радіовипромінювання некорельований з еталонним НВЧ шумом генератора 4 і некорельований з власними шумами квадратичного детектора 7, вихідну напругу квадратичного детектора можна представити у вигляді суми складових: де S - крутизна перетворення квадратичного детектора; 4128 Px - потужність промінювання; прийнятого НВЧ ви Р э- потужність еталонного НВЧ шуму генератора 4 ( Р э » Р Х ) ; а - послаблення, внесене градуйованим атенюатором 5; АР - потужність власних шумів квадратичного детектора 7; у-і - відносна похибка чутливості квадратичного детектора 7, викликана впливом дестабілізуючих факторів. Хвилеводні ключі 2 і 6 періодично переключаються з частотою комутаційного генератора 10 низької частоти. При розімкнутому положенні хвилеводного ключа 2 і закритому положенні хвилеводного ключа 6 НВЧ антена 1 відключається від входу хвилеводного суматора 3, а послаблення, що вноситься градуйованим атенюатором 5, виключається. Вихідна напруга квадратичного детектора 7 при а = 1 набуває вигляду: U2=S(1 + Y1)(P3+AP),(2) В результаті періодичної і протифазної роботи хвилеводних ключів 2 і 6 на виході квадратичного детектора 7 формується змінна складова напруги низької частоти з амплітудою: Низькочастотна напруга з амплітудою (3) підсилюється вузькосмуговим підсилювачем 8, настроєним на частоту комутаційного генератора 10 низької частоти. Підсилена напруга випрямляється синхронним детектором 9, який керується безпосередньо парафазними напругами комутаційного генератора 10 низької частоти. Випрямлена напруга через фільтр 11 нижніх частот поступає на індикатор 12. Фільтром 11 нижніх частот придушуються низькочастотні шуми і завада, а індикатором 12 вимірюється напруга: де К| - коефіцієнт підсилення вибіркового підсилювача 8 частоти комутації; К 2 - коефіцієнт випрямлення синхронного детектора 9; К з - коефіцієнт передачі фільтра 11 нижніх частот; у 2 - відносна похибка чутливості від нестабільності коефіцієнта підсилені вузькосмугового підсилювача 8. Послаблення а , що вноситься градуйованим атенюатором 5, регулюється до досягнення нульового показання індикатора 12. При нульовому показанні індикатора 12 напруга U 4 = 0 , що означає: 6 Рэ(1-а) = Рх.(5) Із рівняння (5) слідує, що вимірювана потужність Р х при Р э = const визначається тільки послабленням атенюатора а : Рх=(1-а)Рэ,(6) де а - послаблення градуйованого атенюатора 5 у відносних одиницях. Із виразу (6) видно, що результат вимірювання потужності прийнятого НВЧ сигналу не залежить від рівня власних шумів радіометра (АР) і нестабільності його чутливості (Уі і Уг)" Рівень детектуємого сумарного сигналу задається в основному високим рівнем потужності генератора 4 еталонного НВЧ шуму ( Р э » Р Х ) . Тому не потрібне попереднє широкосмугове підсилення до квадратичного детектора прийнятого НВЧ сигналу. Необхідна чутливість до слабких вхідних НВЧ сигналів ( Р х « Р э ) забезпечується великим коефіцієнтом підсилення К 1 вузькосмугового підсилювача 9, настроєного на фіксовану частоту комутаційного генератора 10 низької частоти. Синхронне детектування низькочастотної напруги забезпечує ефективне виділення корисного сигналу (4) із низькочастотних шумів і завад. Нестабільність вузькосмугового підсилювача 8 частоти комутації ( у 2 ) , як слідує із (6), не впливає на точність вимірювання. Дослідження НВЧ-радіометра за запропонованою схемою показали, що в якості квадратичного детектора доцільно використати НВЧ діоди Шотки, які працюють на прямій гілці вольтамперної характеристики зі зміщенням робочої точки постійним струмом. При струмі зміщення 5-10мкА квадратичне детектування НВЧ сигналу починає здійснюватися за потужності еталонного КВЧ шуму Р э =10~7...10~6Вт . При коефіцієнті підсилення низькочастотного підсилювача у 80дБ вимірюється потужність, що приймається антеною НВЧсигналу, яка знаходиться в межах 10~12...10~11Вт у смузі частот 30-100ГГц. Відсутність підсилювачів, змішувачів, фільтрів у додетекторній частині НВЧрадіометра розширює спектр частот вхідного сигналу у порівнянні з прототипом, що призводить до збільшення чутливості і до зменшення флуктуаційного порогу чутливість НВЧ-радіометра до 10~ 2 1 ...10~ 2 2 Вт/(Гцсм 2 ). В якості керуючих хвилеводних ключів в діапазоні мм-хвиль (30-100ГГц) можна використовувати хвилеводні стандартні модулятори типу М-347, які виконані на широкосмугових діодах (p-i-n-діодах) і керуються низькочастотною напругою 1000Гц прямокутної форми. Джерелом еталонного НВЧ шуму є тепловий шумовий генератор з вихідною потужністю ЮмкВт. 4128 Комп'ютерна верстка Н Лисенко Підписне Тираж 37 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