Модуляційний гетеродинний радіометр

Винахід відноситься до пасивної радіолокації, а саме до техніки виміру потужності слабких шумових сигналів у діапазоні надвисоких частот (НВЧ), і може бути використаний в радіоастрономії, радіометеорології, радіогеодезії і медицині. Відомі радіометри модуляційного типу (див. Есепкина Н.А., Корольков Д.В., Парийский Ю.Н. Радиотелескопы и радиометры. М: На ука, 1979, С. 258) які містять, як правило, два вхідни х канали - канал антени і канал опорного сигналу, які через два НВЧ - ключі, що працюють у протифазі, підключені до одного приймача. У приймачі радіометру сигнал антени і сигнал опорного каналу по черзі підсилюються одним НВЧ підсилювачем з великим коефіцієнтом підсилення, щоб забезпечити квадратичне детектування модульованого сигналу. Однак у діапазоні вкрай високих частот (30-300 Ггц) важко виконати приймач прямого підсилення з великим коефіцієнтом підсиленням, особливо на транзисторах. Тому використовують приймачі радіометрів з гетеродинним перетворенням частоти, у яких почергово посилення сигналів здійснюється на відносно низькій проміжній частоті (див. Скрипник Ю.О., Манойлов В.П., Яненко О.П., Модуляційні радіометричні пристрої та системи НВЧ - діапазону - Житомир: ЖІТІ, 2001, С.173). Для виключення впливу власних шумів вхідної антени в опорному каналі використовують еталонне навантаження, шумова характеристика якого еквівалентна аналогічній характеристиці антени. У цьому випадку сигнал від антени на виході квадратичного детектора приймача віднімається із сигналу від еталонного навантаження і підсилювач частоти модуляції підсилює тільки прийнятий антеною зовнішній шумовий сигнал. Однак на частотах понад 50-60Ггц через вплив розподілених ємностей і індуктивностей важко виконати еталонне резистивне навантаження, еквівалентне антені. Крім того, через неідентичність коефіцієнтів передачі і відбиття двох НВЧ - ключів і паразитного зв'язку між каналами виникає велика похибка виміру потужності прийнятого сигналу. Відомий модуляційний гетеродинний радіометр (див. Авт. свид. СРСР №1553924, МПК G01R29/08, 1984, бюл. №12, 1990), що містить з'єднані послідовно антену, комутатор, змішувач, підсилювач проміжної частоти, квадратичний детектор, підсилювач низької частоти, синхронний детектор і інтегратор, при цьому до другого входу комутатора підключений генератор шуму через атенюатор, керуючий вхід якого з'єднаний з виходом інтегратора, і гетеродин, вихід якого підключений до другого входу змішувача, а генератор низької частоти з'єднаний з керуючими входами комутатора і синхронного детектора. Роль еталонного навантаження виконує атенюатор, що живиться генератором шуму, рівень якого встановлюють відповідно рівню шумів приймальної антени. Однак необхідність у комутаторі, що складається з двох НВЧ - ключів, не дозволяє виключити похибку від паразитного міжканального зв'язку і неідентичності параметрів двох ключів. Відомий також модуляційний гетеродинний радіометр (див. Патент України №26122, МПК G01R29/08,1998, Бюл. №5, 2000), що містить НВЧ - антену, НВЧ - ключ, підключений до виходу антени, послідовно з'єднані НВЧ змішувач, підсилювач проміжної частоти, квадратичний детектор, перший фільтр нижніх частот, вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор, другий фільтр нижніх частот і реєстратор, генератор низької частоти, з'єднаний виходом з керуючими входами НВЧ - ключа і синхронного детектора, НВЧ - гетеродин, дільник НВЧ - потужності, спрямований відгалужувач і атенюатор. Крім того, він містить другі комутатор, синхронний детектор, підсилювач низької частоти, два інтегратори, два генератори НВЧ - шуму, електричне керовані атенюатори, двоканальний аналого-цифровий перетворювач, мікроЕОМ із дисплеєм і цифро-аналоговий перетворювач. При цьому входи двоканального аналого-цифрового перетворювача підключені до виходів першого і другого інтеграторів, а виходи підключені до входу мікро-ЕОМ, перший вихід якої через цифро-аналоговий перетворювач з'єднаний з керуючим входом атенюатора, другий підключений до дисплея. Наявність у схемі модуляційного радіометру генератора НВЧ - шуму, сигнал від якого періодично надходить на вхід приймача, дозволяє компенсувати власні шуми НВЧ - антени і вхідного хвилеводу, однак неминуча нерівномірність спектральної потужності шумового сигналу генератора НВЧ - шуму викликає похибку виміру потужності прийнятого НВЧ - сигналу при перебудові частоти НВЧ - гетеродина. Це зв'язано з тим, що в смугу пропущення підсилювача проміжної частоти при зміні частоти НВЧ - гетеродина попадає вже інший компенсуючий сигнал від сусідньої ділянки спектральної характеристики генератора НВЧ - шуму, не еквівалентний потужності власного шуму антени. Крім того, у відомому радіометрі використаний комутатор із двох НВЧ - ключів, що викликає неминучі похибки від неідентичності параметрів ключів і паразитних зв'язків між ними. В основу винаходу покладена задача створення такого модуляційного гетеродинного радіометру, в якому введенням нових елементів і зв'язків забезпечувалось би підвищення точності і чутливості вимірів слабких шумових сигналів у широкому діапазоні частот. Поставлена задача вирішується тим, що в модуляційний гетеродинний радіометр, що містить НВЧ - антену, НВЧ - ключ, підключений до виходу антени, послідовно з'єднані НВЧ - змішувач, підсилювач проміжної частоти, квадратичний детектор, перший фільтр нижніх частот, вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор, другий фільтр нижніх частот і реєстратор, генератор низької частоти, з'єднаний виходом з керуючими входами НВЧ - ключа і синхронного детектора, НВЧ - гетеродин, дільник НВЧ - потужності, спрямований відгалужувач і атенюатор, згідно з винаходом, в нього введені керований підсилювач проміжної частоти, диференціальний підсилювач, джерело стабілізованої постійної напруги, НВЧ - балансовий модулятор і вентиль, який виходом підключений до входу НВЧ -змішувача, другий вхід якого підключений до виходу НВЧ - гетеродина через одне плече дільника НВЧ - потужності, друге плече якого з'єднано із сигнальним входом НВЧ - балансового модулятора, модулюючий вхід якого підключений до виходу підсилювача проміжної частоти через атенюатор і керований підсилювач проміжної частоти, керуючий вхід якого з'єднаний з виходом диференціального підсилювача, один вхід якого з'єднаний з виходом джерела стабілізованої постійної напруги, др угий вхід підключений до виходу першого фільтра нижніх частот, а ви хід НВЧ - балансового модулятора з'єднаний із відгалужуючим плечем спрямованого відгалужувача, включеного між НВЧ - ключем і входом вентиля. Введення в схему модуляційного гетеродинного радіометру керованого підсилювача проміжної частоти, диференціального підсилювача, джерела стабілізованої постійної напруги, НВЧ - балансового модулятора і вентиля, включених зазначеним образом, забезпечує формування компенсуючого шумового сигналу безпосередньо з НВЧ - сигналу і гетеродина, що перебудовується по частоті, шляхом балансової модуляції його шумовим сигналом проміжної частоти і подачі модульованого сигналу на вихід НВЧ - ключа антени через спрямований відгалужувач. Введений у приймач додатковий модульований сигнал змішується з НВЧ - сигналом гетеродину й в результаті утворюється компенсуючий сигнал проміжної частоти, діючий у моменти відключення антени від входу приймача. У результаті вплив власних шумів антени на приймач врівноважується дією додаткового модульованого сигналу, який формується на виході НВЧ - балансового модулятора і вводиться в тракт приймача спрямованим відгалужувачем коли НВЧ - ключ закритий. Це забезпечує підвищення точності і чутливості вимірів вхідних сигналів за рахунок виключення впливу власних шумів антени і вхідних елементів прийомного тракту на значення прийнятого сигналу незалежно від частоти гетеродина. На кресленні представлена функціональна схема модуляційного гетеродинного радіометру. Радіометр містить НВЧ - антену 1 до якої підключені послідовно з'єднані НВЧ - ключ 2, спрямований відгалужувач 3, вентиль 4, НВЧ змішувач 5, підсилювач 6 проміжної частоти, квадратичний детектор 7, перший фільтр 8 нижніх частот, вибірковий підсилювач 9 низької частоти, синхронний детектор 10, другий фільтр 11 нижніх частот і реєстратор 12. Генератор 13 низької частоти з'єднаний з керуючими входами НВЧ - ключа 2 і синхронного детектору 10, НВЧ - гетеродин 14 через дільник НВЧ - потужності 15 з'єднаний із другим входом НВЧ - змішувача 5 і сигнальним входом НВЧ - балансового модулятора 16, модулюючий вхід якого через атенюатор 17 і регульований підсилювач 18 проміжної частоти з'єднаний з виходом підсилювача 6 проміжної частоти. До керуючого входу регульованого підсилювача 18 проміжної частоти підключений вихід диференціального підсилювача 19, один вхід якого з'єднаний з виходом джерела 20 стабілізованої постійної напруги, а інший вхід з'єднаний з виходом першого фільтра 8 нижніх частот. Модуляційний гетеродинний радіометр працює таким чином. Шумовий сигнал, прийнятий НВЧ - антеною 1, через відкритий НВЧ - ключ 2, спрямований відгалужувач 3 і вентиль 4 надходить на НВЧ - змішувач 5, на другий вхід якого безупинно надходить монохроматичний (гармонійний) сигнал гетеродина 14 через дільник потужності 15. У результаті змішування гармонійного сигналу w w частоти Г і шумового сигналу із суцільним спектром і утворяться сигнали різницевої (проміжної) частоти wГ - wі DwР . У смугу пропущення підсилювача 6 проміжної (різницевої) частоти попадають перетворені по w частоті складові прийнятого шумового сигналу, що зміщені щодо частоти гетеродина Г на значення проміжної w частоти Р нагору і вниз по осі частот; Dwі' = w Г + w Р ± DwР , (1) Dwі" = wГ - wР ± Dw Р . У результаті змішування складових спектра (1) із сигналом гетеродина утворяться низькочастотні сигнали різницевої частоти, що підсилювачем 6 проміжної частоти виділяються у вигляді вузькосмугового шумового сигналу. Дисперсія шумового сигналу буде визначатись подвоєним значенням квадратів складових спектра смуг Dw'і і Dw" i : Dwp Ui2 = 2K 1 S 1 òU 2 x (wi ) U2 d w Г (2) 0 де K1 - коефіцієнт підсилення підсилювача проміжної частоти по потужності; S1 - крутість перетворення НВЧ - змішувача; U2 x U2 Г - потужність спектральних складових прийнятого антеною сигналу; - потужність сигналу гетеродина. Крім корисного сигналу (2) на виході підсилювача 6 проміжної частоти буде присутній вузькосмуговий шум, як результат частотного перетворення власного НВЧ - шуму змішувача із сигналом гетеродина плюс власні шуми підсилювача. Буде також присутній паразитний сигнал від шумів антени і вхідних елементів прийомного тракту. Додатково на вхід прийомного тракту надходить модульований НВЧ - сигнал через спрямований відгалужувач 3. Останній формується з гармонійного сигналу гетеродину 14, що через дільник НВЧ - потужності 15 надходить на w НВЧ - балансовий модулятор 16, де модулюється вузькосмуговим шумовим сигналом проміжної частоти Р зі DwР смугою . Для цього використовується шумовий сигнал підсилювача 6 проміжної частоти, стабілізований регульованим підсилювачем 16 проміжної частоти й ослаблений до необхідного рівня атенюатором 17. У результаті балансової модуляції утвориться двосмуговий НВЧ - сигнал з частотним спектром, аналогічним (1). Однак при зазначеній спрямованості відгалужувача 3 і відкритому НВЧ - ключі 2 додатковий сигнал у радіометр не попадає, а надходить в антену і розсіюється в навколишнім просторі. Тому в радіометр надходить корисний прийнятий сигнал, шумовий сигнал антени і сигнал, обумовлений власними шумами приймача радіометра. Зазначені складові результуючого шумового сигналу між собою не корельовані, тому його дисперсія буде дорівнювати сумі дисперсій зазначених складових. З урахуванням цих складових вузькосмуговий шумовий сигнал, що надходить на вхід квадратичного детектора 7, буде мати вид: 2 U2 = 2 K 1 S1 S 2 DwP ò [U 2 x (wi ) + U2 (wi ) + U2 (wi )]U2 d w a P Г (3) 0 де S2 - чутливість квадратичного детектора; 2 UP (wi ) - потужність спектральних складових власних шумів радіометра; U2 (wi ) a - потужність спектральних складових шумів антени і вхідних елементів НВЧ - тракту. У результаті квадратичного детектування на виході фільтру 8 нижніх частот формується відеоімпульс з амплітудою 2 2 2 2 (4) U3 = 2 K1K2 S1 S2 Ux + UP + Ua UГ ( ) де К2 - коефіцієнт передачі фільтра нижніх частот 8; 2 2 UP Ua , , - потужності корисного сигналу, шумів радіометра і шумів антени в смузі прийому гетеродинного радіометра. У модуляційному радіометрі НВЧ - ключ 2 керується напругою генератора 13 низької частоти, що обумовлює періодичне відкривання і закривання ключа. У напівперіод комутації ключа, коли ключ 3 закритий, сигнал антени 1 відбивається від закритого ключа і на приймач радіометра не надходить. У той же час модульований сигнал, що вводиться в прийомний тракт спрямованим відгалужувачем 3, відбивається від закритого ключа і надходить на НВЧ - змішувач 5. Після гетеродинного перетворення підсилювачем 6 проміжної частоти виділяється додатковий вузькосмуговий шумовий сигнал, аналогічний (2). На вхід квадратичного детектора 7 тепер буде впливати сигнал із сумарною дисперсією; 2 Ux Dw2 P 2 U4 = 2 K 1 S1 S 2 ò [U 2 P (w i ) + a U2 (w i )]U2 d w ¶ Г (5) 0 де a - ослаблення, внесене атенюатором 17 по потужності; U2 (wi ) ¶ - потужність спектральних складових додаткового сигналу, що попадає в приймач радіометра. Відповідно до цього напівперіоду комутації амплітуда відеоімпульсу на ви ході фільтра 8 нижніх частот ( ) 2 (6) U5 = 2K 1 S 1 S 2 U2 + a U¶ U2 P Г При періодичній роботі НВЧ - ключа 2 вибірковим підсилювачем 9 низької частоти буде виділятися і підсилюватися напруга огинаючої відеоімпульсів (4) і (6). Якщо низька частота переключень НВЧ - ключа W , то низькочастотну напругу, посилену вибірковим підсилювачем 9, можна представити як U - U5 (7) U6 = K 3 3 cos (W t + F ) + D U (t ) 2 де - К3 - коефіцієнт підсилення вибіркового підсилювача; Ф - фаза огинаючої відеоімпульсів; D U (t ) - напруга низькочастотних шумів, що попадають у смугу пропущення вибіркового підсилювача. Підсилена напруга (7) випрямляється синхронним детектором 10, що керується безпосередньо напругою генератора 13 низької частоти, і згладжується фільтром 11 нижніх частот. При досить великий постійний часі фільтра нижніх частот шуми D U (t ) шляхом усереднення придушуються, а постійна напруга що реєструється з урахуванням виразів (4) і (6) ( ) 2 2 2 (8) U7 = 2K 1K 2 K 3 K 4 S1 S 2 Ux + Ua + a U¶ U2 Г де К4 - коефіцієнт передачі фільтра 11 нижніх частот. Для повного виключення впливу шумів антени і фону радіовипромінювання на покази радіометру проводять операцію калібрування. НВЧ антену 1 направляють не на досліджуваний об'єкт, а на нейтральне фон, на якому можна вважати, що корисний сигнал відсутній (Ux = 0), тоді зміною послаблення a атенюатора 17 домагаються нульового показання реєстратора 12. Дорівнюючи вираз (8) нулю, одержуємо умову компенсації a= 2 Ua 2 U¶ (9) U При перебудові частоти гетеродина 14 умова (9) не порушується, тому що компенсуючий сигнал ¶ , (w = const) . Для стабілізації формується безпосередньо із сигналу того ж гетеродина і шумів проміжної частоти P DwP рівня шумів у смузі напруга з виходу підсилювача 6 проміжної частоти стабілізуються підсилювачем 18 з автоматичним регулюванням підсилення. Для цього постійна складова напруги з виходу фільтра 8 нижніх частот порівнюється з опорною стабілізованою постійною напругою джерела 20. Різницева напруга, формована диференціальним підсилювачем 19, змінює коефіцієнт підсилення додаткового підсилювача 18 проміжної частоти. У результаті автоматичного регулювання коефіцієнта підсилення сигнал проміжної частоти на вході атенюатора 17 залишається практично постійним при змінах рівня потужності вихідного сигналу основного підсилювача 6 проміжної частоти. Після проведення калібрування радіометра антену 1 направляють на досліджуваний об'єкт і реєструють прийняте випромінювання незалежно від рівня власних шумів антени і самого радіометру. У результаті цього підвищується точність і чутливість вимірів слабких шумових сигналів у широкому частотному діапазоні, включаючи вкрай високі частоти. Приклад. Розроблено модуляційний гетеродинний радіометр за запропонованою схемою для медико-біологічних досліджень. Радіометр включає рупорну антену і вхідний хвилеводний тракт на діапазон частот 53-78ГГц (перетин хвилеводу 3,6´1,8мм). НВЧ - змішувач і балансовий модулятор, виконаний за балансовою схемою на двох діода х з бар'єром Шотткі, яка забезпечує глибоку розв'язку сигнального і модулюючих входів (не менш 25дБ) і придушення шумів гетеродина. Потужність гетеродина обрана в межах 12-25мВт. Підсилювач проміжної частоти виконаний на частоту 200МГц зі смугою пропущення 50МГц і коефіцієнтом підсилення ~80дБ. Квадратичний детектор зроблений на тунельному діоді типу ГИ401А с використанням зворотної ділянки вольтамперної характеристики і має чутливість по входу 5-10мкВт. У якості НВЧ-ключа використаний стандартний хвилеводний модулятор типу Н347, виконаний на варакторних діодах (p-i-n - діодах). Завдяки компенсації впливу власних шумів антени і вхідних хвилеводних елементів сигналом НВЧ гетеродина, промодульованим шумовою напругою проміжної частоти, зареєстровано власне електромагнітне випромінювання людини. Інтенсивність електромагнітного випромінювання в діапазоні міліметрових хвиль з біологічно активних зон (БАЗ) виявилася в межах 10-20-10-21Вт/(Гц*см 2), а її конкретні значення використовувалися для діагностики стану здоров'я.