Кореляційний вимірювач інтенсивності електромагнітного випромінювання

Винахід відноситься до галузі радіовимірювань і може використовуватись для оцінки і вимірювання інтенсивності електромагнітного випромінювання від фізичних і біологічних об'єктів у діапазоні високих і надвисоких частот. За інтенсивністю прийнятий від досліджуваного об'єкта шумовий ВЧ або НВЧ (надалі НВЧ) сигнал дуже малий, тому що його спектральна щільність потужності не перевищує 10-20...10-22 Вт/(Гц.см 2). Це значно менше рівня власних шумів вимірювача інтенсивності випромінювання. Тому виділення корисного шумового сигналу, прийнятого антеною, на фоні інтенсивніших власних шумів приймальних пристроїв здійснюється за допомогою кореляційної вимірювальної апаратури. Відомий кореляційний вимірювач інтенсивності електромагнітного випромінювання (див. Есепкина Н. А., Корольков Д. В., Парийский Ю. Н. Радиотелескопы и радиометры. - М.: Наука. - 1972. - С.259-260), що має антену, еквівалент антени і подвійний хвилеводний трійник, входи якого з'єднані з виходами антени і еквівалента антени, два НВЧ-підсилювачі, що підключені до виходів подвійного хвилеводного трійника, перемножувач сигналів, входи якого з'єднані з виходами двох НВЧ-підсилювачів, ви хід перемножувача сигналів через фільтр нижніх частот з'єднаний з реєстратором. Перемножувач сигналів у вимірювачі виконує роль корелятора. Усереднення вихідного сигналу корелятора здійснюється фільтром нижніх частот, що виключає вплив власних шумів двох незалежних підсилювачів, оскільки ці шуми між собою некорельовані. Однак нестабільність нульового рівня вихідного сигналу перемножувача не дозволяє одержати високу чутливість і точність виміру за рахунок підсилення усередненого сигналу, тому що одночасно підсилюється як корисний сигнал, так і завада, а це проявляється у вигляді випадкового дрейфу н уля перемножувача. Відомий також кореляційний вимірювач інтенсивності електромагнітного випромінювання (див. патент України №39444А, кл. G01R29/08, 08.08.2000, Бюл. №5, 2001р.), що містить антену, еквівалент антени і подвійний хвилеводний трійник, входи якого з'єднані з виходом антени і еквівалентом антени, два узгоджувальні підсилювачі високої частоти, входи яких підключені до виходів подвійного хвилеводного трійника, хвилеводний комутатор, входи якого з'єднані з диференціальними виходами одного із узгоджувальних підсилювачів високої частоти, послідовно з'єднані вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор, фільтр нижніх частот і реєструючий прилад, генератор низької частоти, з'єднаний з керуючими входами хвилеводного комутатора і синхронного детектора. Крім того, відомий пристрій містить аналоговий перемножувач, один вхід якого з'єднаний з виходом хвилеводного комутатора, інший вхід з'єднаний з виходом одного з підсилювачів високої частоти, а вихід перемножувача з'єднаний з вибірковим підсилювачем низької частоти. Відомий пристрій також включає додатковий блок пригнічення впливу корельованих шумів підсилювальних каналів у складі генератора шуму, а тенюатора, хвилеводного трійника, хвилеводного перемикача і трьох спрямованих відгалужувачів, включених між підсилювальними каналами. Завдяки періодичній зміні фази однієї з посилених напруг на 180° на вході перемножувача на його виході формується корисний сигнал у вигляді змінної напруги частоти комутації, яка легко відокремлюється від напруги дрейфу нуля перемножувача шляхом вибіркового підсилення. Однак повне пригнічення впливу власних шумів підсилювачів високої частоти можливе при рівності їхніх коефіцієнтів підсилення та ідентичності частотних характеристик, що важко забезпечити в НВЧ-діапазоні. Крім того, високий рівень низькочастотних шумових складових у ви хідній напрузі перемножувача не дозволяє істотно знизити флуктуаційний поріг чутливості кореляційного вимірювача. Значну похибку при вимірюванні інтенсивності електромагнітного випромінювання спричиняють корельовані шуми у двоканальній схемі перетворення прийнятого антеною шумового сигналу. Через неминучі паразитні зв'язки між підсилювачами рівнобіжних каналів, зовнішніх завад, між канальних провідностей за джерелом живлення тощо, корельовані шуми і завади перемножуються між собою у перемножувачі і після усереднення формують постійну напругу, яку неможливо відокремити від корисного сигналу, пропорційного вимірюваній інтенсивності, це знижує точність і чутливість кореляційного вимірювача. В основу винаходу покладена задача створити такий кореляційний вимірювач інтенсивності електромагнітного випромінювання, у якому за рахунок введення нових елементів і зв'язків можна було б вилучи ти вплив неідентичності підсилювачів шумового сигналу і знизити вплив корельованих шумів та завад, завдяки чому забезпечити підвищення точності і чутливості вимірювання інтенсивності електромагнітних випромінювань. Поставлена задача вирішується тим, що у кореляційний вимірювач інтенсивності електромагнітного випромінювання, що містить антену, еквівалент антени і подвійний хвилеводний трійник, входи якого з'єднані з виходом антени і еквівалентом антени, два узгоджувальних підсилювачі високої частоти, входи яких підключені до виходів подвійного хвилеводного трійника, хвилеводний комутатор, входи якого з'єднані з диференціальними виходами одного із узгоджувальних підсилювачів високої частоти, послідовно з'єднані вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор, фільтр нижніх частот і реєстр уючий прилад, генератор низької частоти, з'єднаний з керуючими входами хвилеводного комутатора і синхронного детектора, згідно з винаходом, введені другий подвійний хвилеводний трійник, два підсилювачі високої частоти, два квадратори, два резистори, конденсатор і диференціальний підсилювач, при цьому вихід хвилеводного комутатора з'єднаний через другий подвійний хвилеводний трійник з виходом іншого узгоджуючого підсилювача високої частоти, до ви ходів др угого хвилеводного трійника підведені попарно послідовно з'єднані підсилювач високої частоти і квадратор, вихід одного з квадраторів через один з резисторів сполучений із інвертувальним входом диференціального підсилювача, вихід іншого квадратора через інший резистор з'єднаний із неінвертувальним входом диференціального підсилювача, між інвертувальним і неінвертувальним входами якого включений конденсатор, а вихід диференціального підсилювача з'єднаний з входом вибіркового підсилювача низької частоти. Введення в схему вимірювача другого хвилеводного трійника, двох підсилювачів високої частоти, двох квадраторів, двох резисторів, конденсатора і диференціального підсилювача, з'єднаних зазначеним способом, дає можливість сформувати на вихода х др угого хвилеводного трійника сумарний і різницевий сигнали, один з яких містить прийнятий антеною шумовий сигнал у суміші з власними шумами антени і підсилювачів, а інший — тільки шуми антени і підсилювачів. При зміні положення комутатора сумарний і різницевий сигнали міняються місцями стосовно входів підсилювачів високої частоти і відповідно змінюється знак різницевої напруги на виходах квадраторів. У результаті періодичного переключення комутатора на вході диференціального підсилювача утворюється змінна напруга частоти комутації, пропорційна тільки інтенсивності прийнятого антеною шумового сигналу. Некорельовані та корельовані шуми і завади у підсилювальних каналах пригнічуються диференціальним підсилювачем як синфазні завади. Підсилена і виділена напруга частоти комутації реєструється ви хідним приладом із пригніченням впливу завад і неінформативних шумів, що сприяє підвищенню точності і чутли вості вимірювача інтенсивності електромагнітного випромінювання. На кресленні (див.фіг.) представлена схема кореляційного вимірювача інтенсивності електромагнітного випромінювання. Вимірювач містить антену 1, виходом з'єднану з одним із входів подвійного хвилеводного трійника 2, до другого входу якого підключений еквівалент антени 3. Виходи подвійного хвилеводного трійника 2 з'єднані з входами узгоджуючи х підсилювачів високої частоти (повторювачів напруги) 4 і 5, з яких другий 5 має диференціальні виходи (прямий та інверсний), з'єднані через хвилеводний комутатор 6 з одним із входів другого хвилеводного трійника 7, інший вхід якого сполучений з виходом узгоджувального підсилювача 4. До виходів др угого хвилеводного трійника 7 підключені підсилювачі 8 і 9 високої частоти, виходи яких з'єднані з квадраторами 10 і 11. Виходи квадраторів 10 і 11 через резистори 12, 13 і конденсатор 14 сполучені зустрічне, а клеми конденсатора 14 - з інвертуючим та неінвертуючим входами диференціального підсилювача 15. До виходу диференціального підсилювача 15 підключені послідовно з'єднані вибірковий підсилювач 16 низької частоти, синхронний детектор 17, фільтр 18 нижніх частот і реєструючий прилад 19. Керуючі входи хвилеводного комутатора 6 і синхронного детектора 17 підключені до виходу генератора 20 прямокутної напруги низької частоти. Кореляційний вимірювач працює таким чином. Електромагнітне випромінювання, що приймається антеною 1 у вигляді інформативного шумового сигналу, надходить на одне плече подвійного хвилеводного трійника 2. До іншого плеча якого підключене хвилеводне навантаження 3, яке еквівалентне антені 1 за опором і рівнем власних шумів. Прийнятий шумовий сигнал U1(t) має інтенсивність, пропорційну температурі джерела електромагнітного випромінювання: (1) U2 = S1K 1TU Df , 1 де S1 - чутли вість антени 1; K1 - коефіцієнт, що залежить від випромінювальної здатності джерела випромінювання; TU - температура джерела випромінювання; D f - смуга часто т високочастотної частини кореляційного вимірювача. Інтенсивність вихідного сигналу антени U3(t) з урахуванням її власних шумів можна представити у вигляді суми дисперсій некорельованих шумів: U2 = U2 + U2 , 3 1 2 (2) U2 де 2 - інтенсивність власних шумів антени. На одному з виходів подвійного хвилеводного трійника 2 формується сигнал, пропорційний сумі вхідних сигналів, а на іншому - різниці. Шуми еквівалента антени 3 вибирають рівними відповідним шумам антени 1. При такому виборі інтенсивність сумарного сигналу подвійного хвилеводного трійника 2 (3) U2 = U1 + 2U2 , 4 2 а інтенсивність різницевого сигналу (4) U2 = U2 . 5 1 Сумарний сигнал з інтенсивністю (3) надходить на узгоджуючий підсилювач (повторювач напруги) 4, а різницевий сигнал з інтенсивністю (4) - на вхід узгоджуючого підсилювача 5. Вихідний сигнал узгоджуючого підсилювача 4 надходить на перший вхід подвійного хвилеводного трійника 7. На другий вхід цього трійника через хвилеводний комутатор 6 почергово надходять вихідні сигнали узгоджуючого підсилювача 5 із протилежними фазами. При зазначеному положенні комутатора 6 на підсумовуючому виході подвійного хвилеводного трійника 7 формується сигнал U¢6 (t ) із сумою дисперсій (3) і (4): 2 (5) U2 = 2(U1 + U2 ). 61 2 У цей же час на іншому виході подвійного хвилеводного трійника 7 формується різницевий сигнал U¢7 (t ) з різницею дисперсій (3) і (4): U¢ = 2U2 . 71 2 (6) Вихідні сигнали подвійного хвилеводного трійника 2 U¢6 (t ) і U¢7 (t ) надходять на підсилювачі 8 і 9 високої частоти, в яких здійснюється основне підсилення сигналів. У зв'язку з тим, що інтенсивність 2 (U1