Спосіб вимірювання потужності електромагнітного випромінювання надзвичайно високих частот

Спосіб вимірювання потужності електромагнітного випромінювання надзвичайно високих частот, який полягає в тому, що електромагнітне випромінювання приймають спрямованою антеною, сигнал від якої подають на модуляційний гетеродинний радіометр, в якому його періодично переривають з низькою частотою, переносять вибрану ділянку спектра сигналу та шумів радіометра на сигнал фіксованої проміжної частоти, квадратично детектують модульований сигнал проміжної частоти, виділений сигнал низької модулюючої частоти вибірково підсилюють, випрямляють та фіксують індикатором, який відрізняється тим, що послаб люють атенюатором вихідний сигнал антени, змінюють коефіцієнт передачі атенюатора до значення 1 , при якому встановлюється нульовий показник індикатора радіометра, спрямовують антену на випромінювання абсолютно чорного тіла в діапазоні надзвичайно високих частот з відомою температурою, змінюють коефіцієнт передачі атенюатора до значення 2 , при якому відновлюється нульовий показник індикатора радіометра, екранують вхід антени від зовнішніх випромінювань та знову змінюють коефіцієнт передачі атенюатора до значення 3 , при якому встановлюється нульове значення показника індикатора, а потужність P x , що вимірюється, визначають за формулою: Корисна модель відноситься до радіовимірювальної техніки і може бути використаний для вимірювання слабких електромагнітних випромінювань надзвичайно високих частот в біології, медицині, сільському господарстві та фізиці. Частоти власних коливань мембран клітин живих систем знаходяться в діапазоні 10-13...1011 Гц. Наявність зарядів на мембранах при їх коливаннях перетворює їх в джерела електромагнітних хвиль міліметрового діапазону (30-300 ГГц), а тотожність геному всіх клітин даного організму перетворює їх в активні центри, які забезпечують виникнення та функціонування власного когерентного поля організму в міліметровому діапазоні електромагнітних хвиль ("електромагнітного каркасу"). Через це поле і реалізується спадкова інформація цілісною організму, [див. Ситько С. П. Фундаментальные проблемы биологии с позиции квантовой физики живого // Фізика живого. - 2001, Т. 9, № 2. - С. 517]. Потужність випромінювання від біологічних об'єктів надзвичайно мала (10-13...10-16 Вт/см2), що значно менше потужності власних шумів електронної вимірювальної апаратури. Відомий спосіб вимірювання потужності електромагнітного випромінювання надзвичайно високих частот [див. Скрипник Ю. А., Перегудов С. Η., Яненко А. Ф. Радиометрическая система для исследования излучений биологических объектов // Физика живого. - 1988. - Т. 6, №1. - С. 19-22], при якому електромагнітне випромінювання приймається спрямованою антеною рупорного типу, а вихідний сигнал антени періодично переривається і вимірюється модуляційним радіометром гетеродинного типу. (13) де P 0 - потужність випромінювання абсолютно чорного тіла з відомою температурою. U P0 , 14887 2) 3 (11) 1) 1( UA 2( 3 (19) Px 3 14887 4 Завдяки змішуванню прийнятого сигналу з сияка порівнювана або менша за потужність шумів гналом частоти гетеродина, що перестроюється, вимірювальної апаратури. формується сигнал фіксованої проміжної частоти, Поставлене завдання вирішується тим, що в на якому і здійснюється основне підсилення сигспосіб вимірювання потужності електромагнітного налу антени до рівня, необхідного для детектувипромінювання надзвичайно високих частот, який вання (0,1...0,2В). Вплив власних шумів змішувача, полягає в тому, що електромагнітне випромінюгетеродина і підсилювача зменшується за рахунок вання приймають спрямованою антеною, сигнал переривання і порівняння прийнятого сигналу в від якої подають на модуляційний гетеродинний суміші з шумами, з самим шумом і виділення різрадіометр, в якому його періодично переривають з ницевого сигналу, пропорційного прийнятому. низькою частотою, переносять вибрану ділянку Однак модуляційним радіометром надзвичайспектра сигналу та шумів радіометра на сигнал но високих частот властиві великі похибки через фіксованої проміжної частоти, квадратично детекмодуляції власних шумів в процесі переривання тують модульований сигнал проміжної частоти, сигналу антени і неідентичності коефіцієнтів перевиділений сигнал низької модулюючої частоти дач двох ключів, що утворює перемикачвибірково підсилюють, випрямляють та фіксують модулятор радіометра. Похибка виникає також індикатором, згідно винаходу послаблюють атечерез незадовільну розв'язку відкритого і закритонюатором вихідний сигнал антени, змінюють коего ключів в діапазоні надзвичайно високих частот фіцієнт передачі атенюатора до значення 1 , при [см. Скрипник Ю. О., Яненко О. П. Оцінка похибки якому встановлюється нульовий показник індикамодуляційного перетворювача в режимі перемикатора радіометра, спрямовують антену на випроміча // Вісник національного університету "Львівська нювання абсолютно чорного тіла в діапазоні надполітехніка" (Автоматика, вимірювання та керузвичайно високих частот з відомою температурою, вання). - 2002. -№ 445. - С. 42-45]. змінюють коефіцієнт передачі атенюатора до знаВідомий також спосіб вимірювання потужності чення 2 , при якому відновлюється нульовий поелектромагнітного випромінювання надзвичайно казник індикатора радіометра, екранують вхід анвисоких частот [см. Головко Д. Б., Скрипник Ю. О., тени від зовнішніх випромінювань та знову Яненко О. П. Модуляційні НВЧ-вимірювачі електзмінюють коефіцієнт передачі атенюатора до знаричних та неелектричних величин. - К.: "МП Леся". - 2001. - С. 65-67], який полягає в тому, що електчення 3 , при якому встановлюється нульове ромагнітне випромінювання приймають спрямовазначення показника індикатора, а потужність PX , ною антеною, сигнал від якої подають на модулящо вимірюється, визначається за формулою ційний гетеродинний радіометр, в якому його періодично переривають з низькою частотою, пе2( 3 1) PX P0 , реносять вибрану ділянку спектра сигналу і шумів ( 3 1 2) радіометра на сигнал фіксованої проміжної частоде P0 - потужність випромінювання абсолютно ти, квадратично детектують модульований сигнал чорного тіла з відомою температурою. проміжної частоти, виділений сигнал низької моВведення операції послаблення сигналу від дулюючої частоти вибірково підсилюють, випрямприйнятого антеною випромінювання змінним ателяють та фіксують індикатором. нюатором, зміна коефіцієнта передачі атенюатора Крім того, відомий спосіб включає операцію підключення еквівалента антени в моменти передо значення 1 , при якому вихідний сигнал антени ривання сигналу антени та детектування напруги, та шум антени компенсуються вхідними шумами що складається з шумів антени та шумів еквівалерадіометра, приймання випромінювання від абсонта антени. лютно чорного тіла, наступна зміна коефіцієнта Однак на частотах вище 40-50 ГГц важко здійпередачі атенюатора до значення 2 , при якому снити еталонне резистивне навантаження еквівадосягається компенсація прийнятого сигналу від лентне антені за опором та шумами через видив відомого випромінювання сумісно з шумом антени розподілених ємностей та індуктивностей в шировхідними шумами радіометра, екранування антени кому діапазоні частот. Крім того, через неідентичвід зовнішніх випромінювань, зміна коефіцієнта ність коефіцієнтів передачі та відбиття двох клюпередачі атенюатора до значення 3 , при якому чів, які утворюють перемикач, та паразитних зв'язків між каналами перемикача, який виконує шум антени компенсується вхідними шумами рароль модулятора, виникає велика похибка вимідіометра, розрахунок потужності випромінювання рювання потужності прийнятого випромінювання. за трьома значеннями коефіцієнта передачі ( 1 , Нестабільність рівня власних шумів антени та непостійність параметрів радіометра також обумов2, 3 ) атенюатора за запропонованою формулюють додаткові похибки вимірювання потужності. лою дозволяє підвищити точність вимірювання Завданням корисної моделі є створення такого слабких електромагнітних випромінювань надзвиспособу вимірювання потужності електромагнітночайно високих частот, потужність яких порівнюваго випромінювання надзвичайно високих частот, на або менша за потужність шумів електронної який завдяки введенню нових операцій та алгоривимірювальної апаратури. тму обробки сигналів забезпечив би виключення На рисунку представлена схема вимірювання впливу як шумів антени, так і шумів самого радіопотужності електромагнітного випромінювання метра на значення приймаючого сигналу, що занадзвичайно високих частот, до складу якої вхобезпечить підвищення точності вимірювання потудять спрямована антена 1, змінний атенюатор 2, жності слабких електромагнітних випромінювань, ключ-модулятор 3, балансний змішувач 4, гетеро 5 14887 6 дин 5, що перестроюється за частотою, підсилюе знак " " означає симетричну частоту перетвовач 6 проміжної частоти, квадратичний детектор 7, рюючих частот сигналу (2) відносно зміщених часвибірковий підсилювач 8 низької частоти, синхтот гетеродина Г Р . ронний детектор 9, фільтр 10 нижніх частот, індиВнаслідок змішування складових (4) та (5) з катор 11, генератор 12 низької частоти, об'єкт доссигналом гетеродина утворюються низькочастотні лідження 13 та генератор еталонної потужності у сигнали різницевої частоти вигляді абсолютно чорного тіла 14. n Перетворювальні ланцюги 3-12 належать до (6) Рі Р Р. модуляційного гетеродинного радіометра. i 1 Спосіб вимірювання потужності електромагніСкладові різницевої частоти (6) підсилюються тного випромінювання надзвичайно високих часпідсилювачем 6 проміжної частоти та поступають тот здійснюється наступним чином. на квадратичний детектор 7. Внаслідок квадратичРупорну антену 1 мм-діапазону спрямовують ного перетворення складових спектра смуг 'Ci і на джерело випромінювання, потужність якого "Ci та усереднення фільтром детектора формупорівнювана або менша за потужність шумів самої антени. Дисперсію вихідного сигналу антени можється напруга на представити у вигляді 2K1S2 P 2 2 2 U5 U4 ( i ) U5d , (7) (1) U1 S1PX U2 , 2 P де S1 - чутливість антени; PX - потужність прийнятого випромінювання; U2 - дисперсія шумів антени. 2 Вихідний сигнал антени 1 через змінний атенюатор 2, ключ-модулятор 4 поступає на один вхід балансного змішувача 4, на другий вхід якого впливає сигнал гетеродина 5, що перестроюється за частотою. В замкнутому стані ключамодулятора 3 дисперсія вхідного сигналу балансного змішувача 4 з урахуванням його вхідного шуму становить U2 4 S1PX U2 2 2 U31 , (2) де - коефіцієнт передачі атенюатора 2 за потужністю; 2 U31 - дисперсія вхідних шумів балансного змішувача з урахуванням шумів гетеродина при замкнутому ключі-модуляторі. Внаслідок змішування монохроматичного сигналу гетеродина частоти Г та сумарного шумового сигналу (2) з широким спектром утворюються два сигнали різницевої (проміжної) частоти Р із спектральних складових з частотами симетричними відносно 'C Р, Г "C Г "C (3) Р. Г 'C та : В смугу пропускання Р підсилювача 6 про міжної частоти з центральною частотою Р попадають усі перетворені за частотою складові сигналу (2), які зміщені відносно частоти гетеродина Г на значення проміжної частоти Р догори та донизу по осі'частот з урахуванням ширини смуги пропускання: n 'Ci Г Р, Р (4) i 1 "Ci i 1 2 U5 - потужність сигналу гетеродина. При розімкнутому ключі-модуляторі 3 дисперсія сигналу на вході балансного змішувача визначається тільки власними шумами. U2 6 Г Р Р, (5) 2 U32 , (8) 2 U32 де - дисперсія вхідного шуму балансного змішувача з урахуванням шумів гетеродина при розімкнутому ключі-модуляторі. Рівень шумів на вході балансного модулятора 4 залежить від величини опору, на який навантажено його вхід. При замкнутому ключі модулятора 3 вхід балансного змішувача 4 закритий на низькоомний вихідний опір атенюатора 2. В розімкнутому стані ключа-модулятора вхідний опір зростає і визначається вхідним опором самого балансного модулятора. Тому 2 2 (9) U32 U31 . Відповідно вихідна напруга квадратичного детектора U7 2K1S2 P P 2 U2 ( i ) U5d . 6 (10) 0 В модуляційному гетеродинному радіометрі ключ 3 керується напругою генератора 12 низької частоти, що викликає періодичне відкривання та закривання ключа. У відповідності з цим на виході квадратичного детектора 7 формується послідовність відеоімпульсів з амплітудами (7) і (10). З урахуванням дисперсій сигналів U2 ( i ) і U2 ( i ) усе4 6 реднені амплітуди відеоімпульсів набувають виду: U5 U7 n 0 де K 1 - коефіцієнт підсилення підсилювача проміжної частоти за потужністю; S 2 - крутизна перетворення балансного змішувача; 2K1S2S3 S1PX U2 2 2 2 2K1S2S3U31U5 , 2 2 U31 U5 , (11) (12) де S3 - чутливість квадратичного детектора. При періодичній роботі ключа-модулятора 3 на виході квадратичного детектора 7 формується модульована послідовність відеоімпульсів з амплі 7 14887 8 тудами (11) і (12). Вибірковим підсилювачем 8 ни2 2 2 (20) U32 U31 . 3 U2 зької частоти, настроєним на частоту генератора 12, виділяється і підсилюється напруга основної Фіксують значення коефіцієнта передачі 3 гармоніки обвідної відеоімпульсів атенюатора 2. U U5 Прирівнюючи ліві частини рівнянь (20) і (18), (13) U8 K 2 7 cos t Ф , отримуємо 2 2 2 (21) де K 2 - коефіцієнт підсилення вибіркового підси3 U2 2 U2 S1P0 . Із рівняння (21) визначають дисперсію шумів лювача низької частоти; антени - кругова частота перемикання ключамодулятора; 2 2 U2 S1P0 . (22) Ф - початкова фаза напруги обвідної відеоімпуль3 2 сів. Підсилена напруга (13) спрямовується синхПрирівнявши ліві частини рівнянь (18) і (16), ронним детектором 9, який керується напругою отримаємо частоти генератора 12 низької частоти. Випря2 2 (23) 2 U2 S1P0 1 U2 S1PX . млена напруга з урахуванням виразів (11) і (12) 2 2 2 2 Підставляючи в рівняння (23) значення диспеU9 K1S2S3K 2K 3 U32 U31 U2 S1PX U5 , (14) рсії шумів антени (22), кінцево отримаємо значендеK 3 - коефіцієнт випрямлення синхронного деня потужності випромінювання, що вимірюється тектора. 2( 3 1) PX P0 . (24) Випрямлена напруга (14) згладжується фільт1( 3 2) ром 10 нижніх частот і поступає на індикатор 11 Потужність випромінювання абсолютно чорно2 2 2 2 (15) U10 S0 U32 U31 U2 S1PX U5 , го тіла P0 температурою T0 легко розрахувати за де S0 K1S2S3K2K3K 4 - чутливість модуляційного відомою: радіометра; P0 4K fT0 , (25) K 4 - коефіцієнт передачі фільтра нижніх частот. де K - постійна Больцмана; Змінюють коефіцієнт передачі атенюатора 2 f - ширина смуги приймання радіометра. до отримання нульового показника індикатора 11, Із отриманого виразу (24) видно, що на рещо відповідає виконанню умови зультат вимірювання потужності випромінювання 2 2 2 2 (16) U32 U31 , не впливають шуми антени ( U2 ), шуми радіомет1 U2 S1PX де 1 - коефіцієнт передачі атенюатора, який відповідає нульовому показнику індикатора. Фіксується значення коефіцієнта передачі 1 атенюатора 2. Після цього антена 1 спрямовується на джерело зразкового випромінювання 14, в якості якого використовується випромінювання абсолютно чорного тіла в температурному діапазоні. Показання модуляційного радіометра в цьому випадку набуває значення U11 2 S0 U32 2 U31 2 1 U2 2 S1P0 U5 , (17) де P0 - потужність випромінювання абсолютно чорного тіла при відомій температурі T0 . Змінюють коефіцієнт передачі атенюатора 2 до досягнення нульового показання індикатора 11. При цьому виконується умова: 2 2 U2 S1P0 2 U32 2 U31 , (18) де 2 - друге значення коефіцієнта передачі атенюатора, що відповідає нульовому показанню індикатора. Фіксують значення коефіцієнта передачі 2 атенюатора 2. Надалі екранують антену 1 від зовнішніх випромінювань, після чого показання модуляційного радіометра стає рівним 2 2 2 2 (19) U12 S0 U32 U31 2 U2 U5 . Змінюють коефіцієнт передачі атенюатора 2 до третього значення 3 , при якому знову досягається нульове показання індикатора 11. Це відповідає умові 2 2 ра ( U31 , U32 ), нестабільність параметрів радіоме тра ( K 1 , K 2 , K 3 , K 4 , S 2 , S3 ), непостійність чутливості антени ( S1 ), а також варіації потужності 2 гетеродина при його перестройці ( U5 ). Похибка вимірювання залежить тільки від похибки градуювання атенюатора, яка для вимірювальних атенюаторів НВЧ-діапазону (ДЗ-37, ДЗ-38) не перевищує 0,1 дБ в діапазоні до 10 дБ та 0,018 А до 50 дБ. Перестроюючи частоту гетеродина можна визначити спектральну щільність потужності досліджуваного об'єкта в широкому діапазоні надзвичайно високих частот. Приклад. Досліджувалось електромагнітне випромінювання людини в діапазоні надзвичайно високих частот 53-78 ГГц за допомогою модуляційного гетеродинного радіометра, який мав флуктуаційний поріг чутливості за потужністю не гірше 10-14 Вт або 10-21 Вт/Гц при смузі приймання 107 Гц. В якості ключа-модулятора використаний стандартний хвилеводний модулятор типу М347, який виконаний на варакторних діодах. В діодному балансному змішувачі втрати на перетворювання НВЧ-сигналів складали від 6 до 8 дБ на крайніх частотах робочого діапазону, розв'язка сигнального та гетеродинного входів ~ 20 дБ, КСХ 2,0 , пригнічення шумів гетеродина ~ 25 дБ, потужність гетеродина 10-15 мВт. Підсилювач проміжної частоти виконаний на польових транзисторах з бар'єром Шотки (ПТШ) з 9 14887 10 коефіцієнтом підсилення до 80 дБ з коефіцієнтом стани істотно знижують рівень випромінювання (на шуму не більше 2 дБ. Квадратичний детектор міс2-3 дБ), а запальні процеси підвищують рівень тить в собі тунельний діод типу ГИ401А та працює випромінювання (на 4-5 дБ). Спектральна щільна зворотному ланцюгу вольтамперної характериність випромінювання складає (1-5)10-21 Вт/Гц.см2. стики без додаткового зміщення. Приймання виЛікувальне голодування протягом 24 або 36 годин промінювання здійснюється рупорною антеною з призводить до зниження рівня випромінювання в чутливістю 10-15Вт/см. 1,5-2 рази. Приймання їжі (після часового інтерваДослідження та обрахування потужності покалу після голодування) підвищує рівень випромінюзали, що тіло людини випромінює електромагнітні вання до середнього рівня, характерного для цієї хвилі міліметрового діапазону різної інтенсивності людини. Відмічено послаблення рівня випромінювід різних ділянок тіла. Так, найбільша потужність вання у пацієнтів з хронічними захворюваннями. випромінювання властива долоням, ділянками Наприклад, при порушеннях в шлунковогрудей та живота людини. По відношенню до викишковому тракті це послаблення становить 7-8 промінювання абсолютно чорного тіла з темперадБ. Таким чином, рівень підвищення випромінютурою долоней тіла людини PX / P0 6 - 8 дБ, а в вання людини lg PX / P0 може бути використаний області лоба тільки 3-5 дБ. Рівень випромінювання в якості діагностичного параметра в медицині. суттєво залежить від стану людини. Так стресові Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 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