Модуляційний гетеродинний радіометр

1. Модуляційний гетеродинний радіометр, що містить приймальну антену, ключ-модулятор, гетеродинний приймач, до виходу якого підключені послідовно з'єднані вибірковий підсилювач частоти модуляції, синхронний детектор, фільтр нижніх частот і реєстратор, генератор низької частоти, що з'єднаний з керуючими входами ключамодулятора і синхронного детектора, який відрізняється тим, що в нього додатково введені два Т 3 модулятор, гетеродинний приймач, до виходу якого підключені послідовно з'єднані вибірковий підсилювач частоти модуляції, синхронний детектор, фільтр нижніх частот і реєстратор, генератор низької частоти, що з'єднаний з керуючими входами ключа-модулятора і синхронного детектора (див. патент України №68120А, МПК G01R29/08, Бюл. №7, 2004). Крім того, відомий модуляційний гетеродинний радіометр містить керований підсилювач проміжної частоти, диференціальний підсилювач, джерело постійної стабілізованої напруги, НВЧмодулятор, вентиль, направлений відгалужувач і регульований атенюатор. В закритому стані ключа НВЧ- модулятора шуми антени компенсуються додатковим шумом, який формується в гетеродинному приймачі і поступає через направлений відгалужувач на вхід закритого ключа. В результаті відбиття від закритого ключа формується шумовий сигнал, який поступає на вхід гетеродинного приймача. За допомогою регульованого атенюатора встановлюють такий рівень додаткового шуму, який еквівалентний шумам антени. Відомий пристрій має значне зниження чутливості радіометра із-за втрат у вхідному вентилі гетеродинного приймача, за допомогою якого вилучають паразитну модуляцію власних шумів гетеродина і змішувача при періодичній роботі ключа НВЧ-модулятора. Із-за нестабільності рівня компенсуючого шуму, який формується з сигналу проміжної частоти гетеродинного приймача і залежить від рівня сигналу приймальної антени, неможливо повністю сконцентрувати дрейф нуля радіометра, що знижує точність вимірювання слабких електромагнітних випромінювань. В основу корисної моделі покладена задача створити такий модуляційний гетеродинний радіометр, в якому шляхом введення нових елементів і зв'язків, забезпечилось би підвищення чутливості і точності вимірювання слабких електромагнітних випромінювань в діапазоні надзвичайно високих частот (НЗВЧ). Поставлена задача вирішується тим, що в модуляційний гетеродинний радіометр, що містить приймальну антену, ключ-модулятор, гетеродинний приймач, до виходу якого підключені послідовно з'єднані вибірковий підсилювач частоти модуляції, синхронний детектор, фільтр нижніх частот і реєстратор, генератор низької частоти, що з'єднаний з керуючими входами ключа-модулятора і синхронного детектора, згідно з корисною моделлю, в нього введені два Т-подібні розгалуження, два крайові поглинаючі навантаження, одне з яких є низькоомним узгодженим, а інше - високоомним регульованим, при цьому вихід приймальної антени з'єднаний через перше Т-подібне розгалуження з входом ключа-модулятора і низькоомним узгодженим крайовим поглинаючим навантаженням, а вихід ключа-модулятора з'єднаний через друге Тподібне розгалуження з входом гетеродинного приймача і високоомним регульованим крайовим поглинаючим навантаженням. Доцільно як низькоомне узгоджене і високоомне регульоване крайові поглинаючі навантаження 43418 4 використовувати відрізки хвилеводів з короткозамикаючими стінками, що містять поглинаючі клини з діелектрика, вкритого провідним матеріалом, розміщені в площині електричного поля хвилеводу. Введення в схему запропонованого пристрою двох Т-подібних розгалужувачів, двох крайових поглинаючих навантажень, з'єднаних вказаним чином, забезпечує стрибкоподібні зміни рівня шумів крайових поглинаючих навантажень на вході гетеродинного приймача при періодичній роботі ключа-модулятора. При відкритому стані ключамодулятора обидва крайові поглинаючі навантаження, одне з яких є низькоомним узгодженим, а інше - високоомним регульованим, виявляються включеними паралельно, що забезпечує низький рівень додаткового шуму. У закритому стані ключа-модулятора тільки високоомне регульоване крайове поглинаюче навантаження виявляється підключеним до входу гетеродинного приймача, що забезпечує високий рівень додаткового шуму. Регулюванням високоомного регульованого крайового поглинаючого навантаження забезпечується постійність рівня шуму на вході гетеродинного приймача при періодичному відключенні приймальної антени радіометра. В результаті цього виключається паразитна модуляція власних шумів радіометра, що підвищує чутливість і точність вимірювання слабких електромагнітних випромінювань в діапазоні НЗВЧ. На кресленні представлена функціональна схема модуляційного гетеродинного радіометра. Пристрій містить приймальну антену 1, до якої через Т-подібне розгалуження 2 підключений ключ-модулятор 3 і низькоомне узгоджене крайове поглинаюче навантаження 4. Вихід ключамодулятора 3 через Т-подібне розгалуження 5 з'єднаний з високоомним регульованим крайовим поглинаючим навантаженням 6 і входом гетеродинного приймача 7. До виходу гетеродинного приймача 7 підключені послідовно з'єднані вибірковий підсилювач 8 частоти модуляції, синхронний детектор 9, фільтр 10 нижніх частот і реєстратор 11. Генератор 12 низької частоти з'єднаний з керуючими входами ключа-модулятора 3 і синхронного детектора 9. Модуляційний гетеродинний радіометр працює таким чином. Електромагнітне випромінювання, що має найчастіше шумовий характер, приймається приймальною антеною 1 і перетворюється в НЗВЧ сигнал, який є сумішшю корисного прийнятого шумового випромінювання з внутрішніми і зовнішніми шумами приймальної антени 1. Ключ-модулятор 3 під дією напруги генератора 12 низької частоти періодично переходить з відкритого стану в закритий. При відкритому стані ключа-модулятора 3 НЗВЧ сигнал приймальної антени 1 поступає на вхід гетеродинного приймача 7, в якому відбувається перетворення НЗВЧ сигналу в сигнал проміжної частоти. Сигнал проміжної частоти в приймачі квадратично детектується і усереднюється. На виході гетеродинного приймача 7 з урахуванням його власних шумів формується постійна напруга U1 = S × (IX + IA + IП + І¢Т ) , (1) 5 де S - чутливість гетеродинного приймача 7; IX - інтенсивність прийнятого електромагнітного випромінювання; IA - інтенсивність шумів приймальної антени 1; IП - інтенсивність внутрішніх шумів гетеродинного приймача 7; І¢ - інтенсивність тієї частини шумів гетероТ динного приймача 7, які поступають в приймальний тракт радіометра. У виразі (1) інтенсивності визначаються смугою пропускання гетеродинного приймача 7. Інтенсивність І¢ відображає власні шуми гетеродинноТ го приймача 7, які поступають в приймальну антену 1, низькоомне узгоджене крайове поглинаюче навантаження 4 і високоомне регульоване крайове поглинаюче навантаження 6, відбиваються від них і знов поступають в гетеродинний приймач 7, спотворюючи результати вимірювання. При цьому низькоомне узгоджене крайове поглинаюче навантаження 4 і високоомне регульоване крайове поглинаюче навантаження 6 включені паралельно, і їх еквівалентний опір визначається низькоомним узгодженим крайовим поглинаючим навантаженням 4. В результаті шуми гетеродинного приймача 7 в приймальному тракті поглинаються практично повністю. У закритому стані ключа-модулятора 3 прийнятий сигнал і шуми приймальної антени 1 в гетеродинний приймач 7 не надходять. Проте, із-за розпаралелення низькоомного узгодженого крайового поглинаючого навантаження 4 і високоомного регульованього крайового поглинаючого навантаження 6 в гетеродинний приймач 7 починають надходити тільки власні шуми високоомного регульованого крайового поглинаючого навантаження 6. Крім того, через відбиття шумів від закритого ключа-модулятора 3 і збільшеного опору приймального тракту зростає інтенсивність тієї частини шумів гетеродинного приймача 7, які надходять в приймальний тракт, і після відбиття знов потрапляють в гетеродинний приймач 7. З урахуванням вказаних явищ вихідна напруга гетеродинного приймача 7 приймає значення U2 = S × (IН + IП + І¢¢ ) , (2) Т де ІН - інтенсивність шумів, що генеруються високоомним регульованим крайовим поглинаючим навантаженням 6; ¢ І¢ - інтенсивність шумів гетеродинного приТ ймача 7, які надходять в приймальний тракт і повертаються після відбиття в гетеродинний приймач 7. Інтенсивність ІП внутрішніх шумів гетеродинного приймача 7 залишається практично такою ж. У загальному випадку напруги U1 і U2 не рівні через переривання прийнятого сигналу, шумів приймальної антени 1 і модуляції зовнішніх шумів гетеродинного приймача 7. При періодичній роботі ключа-модулятора 3 на виході гетеродинного приймача 7 з'являється змінна складова напруги з 43418 6 амплітудою U - U2 S U3 = 1 = × (IX + IA - IH + I¢ - I¢¢ ) . (3) T T 2 2 Частота змінної напруги (3) визначається частотою генератора 12 низької частоти. Змінна напруга вибірково підсилюється вибірковим підсилювачем 8 частоти модуляції і випрямляється синхронним детектором 9, який керується напругою генератора 12 низької частоти. Постійна складова продетектованої напруги виділяється фільтром 10 нижніх частот і вимірюється реєстратором 11. З виразу (3) видно, що результат вимірювання інтенсивності IX спотворений із-за накладення на корисний сигнал, що приймається, шумів приймальної антени 1 ( IA ) і шумів гетеродинного приймача 7, що змінюються ( I¢ і І¢ ). Проте, можлива T ¢ Т і повна компенсація похибок, якщо виконується умова IA - IH + I¢ - I¢¢ = 0 . (4) T T Умова (4) означає, що шуми високоомного регульованого крайового поглинаючого навантаження 6 повинні бути рівні власним шумам приймальної антени 1, а шуми гетеродинного приймача 7, що потрапляють в приймальний тракт радіометра, повинні мати однакову інтенсивність (I¢T = I¢¢ ) . Але T виконати цю умову важко. Легше здійснити інтегральну компенсацію. Вказана компенсація похибок здійснюється в процесі калібрування радіометра. Для цього приймальна антена 1 спрямовується на нейтральний фон або екранується (IX = 0 ) , і фіксується вихідна напруга радіометра Sk U4 = × (IA - IH + I¢ - I¢T ) , (5) T ¢ 2 де k - коефіцієнт перетворення низькочастотної частини радіометра. Регулюванням опору високоомного регульованого крайового поглинаючого навантаження 6 добувають нульового показу радіометра. При цьому виконується умова ¢ T IA - IH = I¢T - I¢ . (6) Умова (6) означає, що залишковий шум приймальної антени 1 (IA - IH ) компенсується різницевим шумом гетеродинного приймача 7 (I¢¢ - I¢ ) . T T При виконанні інтегральної компенсації (6) покази радіометра Sk U5 = × IX = S0 × IX , (7) 2 де S0 - результуюча чутливість модуляційного гетеродинного радіометра. Як випливає з виразу (7), результат вимірювання не залежить від рівня власних шумів радіометра. У діапазоні НЗВЧ приймальний тракт модуляційного гетеродинного радіометра виконується на хвилеводних елементах. Низькоомне узгоджене крайове поглинаюче навантаження 4 і високоомне регульоване крайове поглинаюче навантаження 6, які повинні мати мале значення КСХ в смузі хвилеводу, виконуються на малу потужність (менше 7 43418 0,1Вт) у вигляді відрізків хвилеводу, закорочених на кінцях. Усередині хвилеводних відрізків вздовж їх осі розміщують поглинаючі пластини з діелектрика, покриті шаром провідного матеріалу (графіту, окису олова або розпорошеної платини) і встановлені в площині електричного поля. Узгодження пластин з однорідним хвилеводом здійснюється за рахунок надання пластинам клиновидної форми. Довжина скосу підбирається так, щоб забезпечити найменше значення КСХ в широкій смузі частот. Поглинаючі пластини механічно закріплені на короткозамикаючій стінці відрізку хвилевода. Регулювання опору навантаження здійснюється переміщенням поглинаючої пластини вздовж хвилеводу за допомогою мікрометричного гвинта. Якщо у відрізку хвилевода встановлено дві поглинаючі пластини, то регулювання опору можна здійснити переміщенням постійного магніта по короткозамикаючій стінці. Зміна опору відбувається за рахунок змін комплексної магнітної проникності поглинаючого матеріалу під дією магнітного поля постійного магніта. Низькоомне узгоджене крайове поглинаюче навантаження 4 і високоомне регульоване крайове поглинаюче навантаження 6 кріпляться до хвилеводних Т-подібних розгалужень 2 і 5 за допомогою фланцевих з'єднань. Приймальна антена 1 в діапазоні НЗВЧ, зазвичай, виконується рупорною з Комп’ютерна верстка М. Ломалова 8 перетином, що плавно зменшується у напрямі хвилеводу приймального тракту. При медикобіологічних дослідженнях доцільне використання мікросмугових антен, узгоджених з шкірним покривом людини. Таким чином, завдяки придушенню паразитної модуляції власних шумів в модуляційному гетеродинному радіометрі за допомогою введених елементів вирішено задачу прийому і вимірювання слабких електромагнітних випромінювань в діапазоні НЗВЧ. Це відкриває можливість дослідження електромагнітних характеристик текстильних і шкіряних матеріалів безпосередньо в електромагнітних полях людини з метою кількісної оцінки їх екологічних, гігієнічних І екрануючих властивостей. Експериментальні дослідження підтвердили достовірність реєстрації слабких електромагнітних випромінювань живих організмів із спектральною щільністю 10 -20 - 10 -21 Вт / æ Гц · см2 ö . При цьому ç ÷ è ø дрейф нуля радіометра не перевищує (3 - 5) · 10-22 Вт / æ Гц · см2 ö протягом 8 годин, що ç ÷ è ø дозволяє оцінити вплив текстильних матеріалів на добові ритми електромагнітної активності (до 30%) організму людини. Підписне Тираж 28 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