Надвисокочастотний інтерферометр

1. Надвисокочастотний інтерферометр, що містить НВЧ-підсилювач, НВЧ-гетеродин, з'єднані з входами НВЧ-змішувача, до ви ходу якого підключені послідовно з'єднані підсилювач проміжної частоти, квадратичний детектор, вибірковий підсилювач низької частоти, син хронний детектор, фільтр нижніх частот і вольтметр, та генератор низької частоти, з'єднаний з керуючим входом синхронного детектора, який відрізняється тим, що в нього додатково введені дві антени, широкосмуговий комутатор полярності, НВЧ-суматор, дві екрановані двопровідні і одна екранована однопровідна лінії передач, при цьому остання з'єднує вхід НВЧ-підсилювача з виходом НВЧ-суматора, один вхід якого через екрановану двопровідну лінію передачі з'єднаний з виходом першої антени, U 2 (19) 1 3 34876 Модуляційні радіометричні пристрої та системи НВЧ-діапазону. Навчальний посібник - Житомир, ЖІТІ, 2001, стор.14-15), що містить дві антени, два НВЧ-підсилювачі, два змішувачі з одним загальним гетеродином, два підсилювачі проміжної частоти і перемножувач, до ви ходу якого через фільтр нижніх частот підключений вольтметр. Наявність одного загального гетеродина виключає флуктуації частоти вихідного сигналу. Проте через паразитний електричний зв'язок каналів НВЧ-інтерферометра через загальний гетеродин власні шуми каналів стають корельованими і викликають зсув нуля перемножувачів, що спотворює результати вимірювань. Відомий також надвисокочастотний інтерферометр (див. Головко Д.Б., Скрипник Ю.О., Яненко О.П. Надвисокочастотні методи та засоби вимірювання фізичних величин. Навчальній посібник - К.: Либідь, 2003, стор.82-85), що містить НВЧпідсилювач, НВЧ-гетеродин, з'єднані з входами НВЧ-змішувача, до виходу якого підключені послідовно з'єднані підсилювач проміжної частоти, квадратичний детектор, вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор, фільтр нижніх частот і вольтметр, та генератор низької частоти, з'єднаний з керуючим входом синхронного детектора. Крім того, НВЧ-інтерферометр містить подвійний хвилеводний трійник, одинарний хвилеводний трійник, два НВЧ-ключі та парафазний генератор низької частоти, до ви ходів якого підключені керуючі входи НВЧ-ключів. Завдяки одноканальній структурі НВЧінтерферометра виключений вплив від неідентичності характеристик перетворюючих ланок каналів на результат вимірювання кореляційних характеристик НВЧ-сигналів. Також усунено вплив паразитних міжканальних зв'язків. Проте вузький частотний діапазон і недостатня розв'язка між входами подвійного хвилеводного трійника обмежує ширину спектру перетворюваних шумових сигналів, що негативно позначається на чутливості і точності НВЧ-інтерферометра. В основу корисної моделі покладена задача створити такий НВЧ-інтерферометр, в якому шляхом введення нових елементів і зв'язків забезпечилось би підвищення чутливості і точності вимірювання потужності корельованих електромагнітних випромінювань, які приймаються рознесеними антенами, що забезпечить надійне виявлення джерела радіовипромінювання на фоні завад або достовірну оцінку статистичного зв'язку між двома шумовими джерелами випромінювання. Поставлена задача вирішується тим, що в НВЧ-інтерферометр, що містить НВЧ-підсилювач, НВЧ-гетеродин, з'єднані з входами НВЧзмішувача, до ви ходу якого підключені послідовно з'єднані підсилювач проміжної частоти, квадратичний детектор, вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор, фільтр нижніх частот і вольтметр, та генератор низької частоти, з'єднаний з керуючим входом синхронного детектора, згідно з корисною моделлю, в нього введені дві антени, широкосмуговий комутатор полярності, НВЧ-суматор, дві екрановані двопровідні і одна екранована однопровідна лінії передач, при цьому 4 остання з'єднує вхід НВЧ-підсилювача з виходом НВЧ-суматора, один вхід якого через екрановану двопровідну лінію передачі з'єднаний з виходом першої антени, інший вихід якої з'єднаний з загальним заземленим входом НВЧ-суматора, другий вхід якого з'єднаний з виходом широкосмугового комутатора полярності, входи якого через другу екрановану двопровідну лінію передачі з'єднані з виходами другої антени, а його керуючий вхід з'єднаний з виходом генератора низької частоти. Доцільно, щоб як антену було використано петлеву НВЧ-антену з рівномірним розподілом струмів по довжині ізольованої петлі і двопровідним виходом. Доцільно, щоб широкосмуговий комутатор полярності містив в собі два автоматичних НВЧперемикача, входи яких утворюють симетричні входи широкосмугового комутатора полярності, протилежні виходи автоматичних НВЧперемикачів з'єднані між собою, один з виходів з'єднаний із загальним заземленим входом НВЧсуматора, а другий утворює несиметричний вихід широкосмугового комутатора полярності, керуючі входи автоматичних НВЧ-перемикачів запаралелені і утворюють керуючий вхід широкосмугового комутатора полярності. Введення в схему НВЧ-інтерферометра широкосмугового комутатора полярності, НВЧсуматора, двох антен, двох екранованих двопровідних та однієї екранованої однопровідної ліній передач, з'єднаних зазначеним чином, забезпечує періодичну зміну полярності всіх компонентів спектру шумового сигналу, що приймається однією із антен в діапазоні частот, формування пакетів сумарних і різницевих НВЧ-сигналів з когерентних складових спектрів обох приймаємих сигналів, подальше почергове підсилення пакетів сумарних і різницевих сигналів одним НВЧ-підсилювачем і зниження їх частоти до значення проміжної частоти за допомогою одного змішувача з гетеродином. За допомогою квадратичного детектора виділяють низькочастотну огинаючу пакетної напруги, яку підсилюють вибірковим підсилювачем низької частоти, випрямляють синхронним детектором і згладжують фільтром нижніх частот, що забезпечує отримання напруги, пропорційної потужності тільки корельованих шумів, що приймаються антенами. Виключення впливу як зовнішніх, так і власних шумів та завад інтерферометра на результат вимірювання забезпечує надійне виявлення джерела радіовипромінювання на фоні завад або встановлення глибини статистичного зв'язку між двома джерелами шумового випромінювання. Використання як антени петлевої НВЧ-антени з рівномірним розподілом струмів по довжині ізольованої петлі і двопровідним виходом дозволяє змінювати полярність приймаємого НВЧ-сигналу, що забезпечує виключення власних шумів НВЧперетворювачів та антен. Виконання НВЧ-інтерферометра з двома автоматичними НВЧ-перемикачами дає можливість періодично змінювати полярність шумових сигналів на вході НВЧ-суматора, що забезпечує виділення інформаційного шумового сигналу на фоні власних шумів пристрою. 5 34876 На кресленні представлена функціональна схема НВЧ-інтерферометра. Антена 1 через екрановану двопровідну лінію передачі 2 з'єднана з входом НВЧ-суматора 3, а антена 4 через екрановану двопровідну лінію передач 5 - з широкосмуговим комутатором полярності 6, який підключено до іншого входу НВЧсуматора 3. Вихід НВЧ-суматора 3 через екрановану однопровідну лінію передачі 7 з'єднаний через НВЧ-підсилювач 8 з одним входом НВЧзмішувача 9, другий вхід якого з'єднаний з виходом НВЧ-гетеродина 10. До виходу НВЧзмішувача 9 підключені послідовно з'єднані підсилювач 11 проміжної частоти, квадратичний детектор 12, вибірковий підсилювач 13 низької частоти, синхронний детектор 14, фільтр 15 нижніх частот і вольтметр 16. Вихід генератора 17 низької частоти з'єднаний з керуючими входами широкосмугового комутатора полярності 6 і синхронного детектора 14. Широкосмуговий комутатор полярності 6 включає автоматичні НВЧ-перемикачі 18 і 19, входи яких утворюють двопровідний вхід широкосмугового комутатора полярності 6, протилежні виходи НВЧ-перемикачів 18 і 19 з'єднані між собою, один з виходів заземлений, а другий утворює несиметричний вихід широкосмугового комутатора полярності 6, керуючі входи НВЧ-перемикачів 18 і 19 запаралелені і утворюють керуючий вхід широкосмугового комутатора полярності 6. Позицією 20 позначений випромінюючий об'єкт. НВЧ-інтерферометр працює таким чином. Антенами 1 і 4, що виконані у вигляді ізольованих провідних петель, приймаються НВЧсигнали, які є аддитивною сумішшю корельованих і некорельованих шумів. З урахуванням власних шумів антен 1 і 4 аддитивну суміш шумів антени 1 можна представити як алгебраїчну сум у комплексних напруженостей компонентів електромагнітного поля: · · · · E1 = E H1 + EK1 + E Ш1 де E1 - комплексна напруженість поля некорельованих шумів; · EK1 - комплексна напруженість поля корельованих шумів; · EШ1 - комплексна напруженість поля власних шумів антени 1. Алгебраїчна сума комплексних напруженостей компонентів електромагнітного поля антени 4: · · · E2 = E H2 + EK 2 + E Ш2 , (2) · де EH2 - комплексна напруженість поля некорельованих шумів; · EK 2 - комплексна напруженість поля корельованих шумів; · EШ2 · НВЧ-сигнал з напруженістю E2 по екранованій двопровідній лінії передачі 5 поступає на широкосмуговий комутатор полярності 6, який керується напругою генератора 17 низької частоти. При одній полярності керуючої низькочастотної напруги автоматичні НВЧ-перемикачі 18 і 19 знаходяться у верхньому положенні і при цьому заземляється нижній кінець антени 4. При другій полярності низькочастотної напруги автоматичні НВЧперемикачі 18 і 19 переходять в нижнє положення. В цьому випадку заземляється верхній кінець антени 4. Оскільки антени 1 і 4 є петлевими антенами з рівномірним розподілом струмів по ізольованій провідній петлі, то почергове заземлення кінців антени 4 означає періодичну зміну полярності всіх компонентів спектру шумового сигналу. Тому комплексна напруженість вихідного сигналу широкосмугового комутатора полярності 6 змінюється від значення · · · · E2 ' = EH2 + EK 2 + EШ 2 · · · (3) · E2 " = - EH2 - EK 2 - E Ш2 (4) Модульований за полярністю НВЧ-сигнал (3), (4) потрапляє на один вхід НВЧ-суматора 3, на другий вхід якого потрапляє немодульований НВЧсигнал з комплексною напруженістю (1) і незмінною полярністю. Останнє обумовлене тим, що тільки один з кінців антени 1 заземлений постійно. В результаті додавання двох НВЧ-сигналів в НВЧсуматорі 3 на його виході формується результуючий НВЧ-сигнал, пропорційний сумі складових комплексних напруженостей в один напівперіод роботи широкосмугового комутатора полярності 6: · · · ö · · · · · · ö æ · æ · E 3 ' = K1 × ç E1 + E 2 + E T ÷ = K 1 × çE H1 + E K1 + E Ш1 + E H2 + E K2 + E Ш2 + ET ÷ ç ÷ ç ÷ è ø è ø, (5) де К1 - коефіцієнт передачі НВЧ-суматора 3; · , (1) · · 6 - комплексна напруженість поля власних шумів антени 4. ET - комплексна напруженість поля власних шумів і перешкод одноканального тракту, приведених до входів НВЧ-суматора 3. У подальший напівперіод роботи широкосмугового комутатора полярності 6 маємо: · · · ö · · · · · · ö æ · æ · E 3 '' = K 1 × ç E1 - E 2 + E T ÷ = K 1 × çE H1 + EK 1+ EШ1- E H2 - E K2 - E Ш2 + E T ÷ ç ÷ ç ÷ è ø è ø. (6) Пакети НВЧ-сигналів (5) і (6) почергово з низькою частотою по екранованій однопровідній лінії передачі 7 потрапляють на НВЧ-підсилювач 8, де підсилюються. Пакети підсилених НВЧ-коливань (5) і (6) змішуються в НВЧ-змішувачі 9 із НВЧколиваннями НВЧ-гетеродина 10, який генерує монохроматичний НВЧ-сигнал. В результаті змішування утворюються комбінаційні складові сумарних і різницевих частот змішуваних сигналів. Підсилювачем 11 проміжної частоти підсилюються спектральні складові шумових сигналів різницевої частоти, що потрапляють в смугу його пропускання. В результаті гетеродинного перетворення частоти пакетів шумових НВЧ-сигналів утворюються пакети напруг проміжної частоти, середні квадратичні значення яких пропорційні комплексним напруженостям (5) і (6). 7 34876 Пакети шумових напруг проміжної частоти піддаються квадратичному детектуванню квадратичним детектором 12. З урахуванням цих перетворень пакети шумових напруг можна представити у вигляді усереднених квадратованих сигналів: 2 æ· ö · 2 U4' = K 2 S2K 2 ç E3 ' ÷ E5 2 1 3ç ÷ è ø (7) 2 æ· ö · 2 2 U4 " = K 2S1 K 2 ç E3 " ÷ E5 2 3ç ÷ è ø (8) де К2 - коефіцієнт підсилення НВЧпідсилювача 8; S1 - крутизна перетворення НВЧ-змішувача 9 з НВЧ-гетеродином 10; К3 - коефіцієнт підсилення підсилювача 11 проміжної частоти; · E5 10; - напруженість сигналу НВЧ-гетеродина «---» - символ усереднення в часі. При квадратичному перетворенні комплексних · · ' напруженостей E3 і E3 " , які є алгебраїчною сумою комплексних напруженостей компонентів шумових полів (1) і (2), слід врахувати наступне. При піднесенні до квадрату суми членів утворюються з одного боку квадрати кожного з членів суми, з іншого боку - добуток цих членів. Середні значення добутків некорельованих шумів, як відомо, дорівнюють нулю. Оскільки шуми антен 1 і 4 між собою не корельовані, то · · E Ш1 × E Ш2 = 0 (9) · · E E Некорельовані один з одним шуми H1 і H2 також при перемножуванні і усередненні дають нуль, тобто · · E H1 × E H2 = 0 (10) Аналогічним чином маємо: ì · · ï EH1 ×E K 1 =0, ï · · ï E × E = 0, ï H 1 Ш1 ï í · · ï E H1 × E K 2 = 0, ï.......... .......... . ï ï · · ï E H1 × E П = 0. î (11) Усереднений добуток, відмінний від нуля, дають тільки корельовані шуми вигляду: · · E K1 × E K2 > 0 · · E ×E < 0 або K 1 K 2 (12) При цьому значення добутку (12) визначається глибиною статистичного зв'язку цих процесів, тобто коефіцієнтом взаємної кореляції. Виходячи з цих міркувань, вихідна напруга квадратичного детектора 12 буде являти собою послідовність відеоімпульсів з результуючими амплітудами: 8 · 2 · 2 · 2 · 2 · 2 2 U 4" = S 2K1K 2K 2S 2 × (EH1 2 3 1 · 2 · 2 · 2 U 4 ' = S 2K 2 K 2K 2 S2 × (E H1 + EH 2 + EK 1 + EK 2 1 2 3 1 · 2 · 2 · 2 · 2 + E Ш1 + E Ш2 · 2 · · · 2 · 2 · · · 2 K2 5 + E Т + 2r × E K1 × E K2 ) × E 5 , (13) + EH 2 + EK1 + EK 2 + EШ1 + EШ 2 + EТ - 2 r × E × E ) × E , (14) де S2 - крутизна перетворення квадратичного детектора 12; ρ - коефіцієнт взаємної кореляції корельованих шумів, що приймаються антенами 1 і 4. У виразах (13) і (14) середні квадрати напруженостей електромагнітного поля є, по суті, потужностями відповідних шумових процесів, а добутки напруженостей корельованих шумів кореляційним моментом залежних випадкових процесів. Амплітуда напруги U4 ' більше амплітуди наK1 пруги U4 " . Тому ви хідна напруга квадратичного детектора 12 є послідовністю відеоімпульсів, що модулюються по амплітуді з частотою перемикання широкосмуговим комутатором полярності 6 НВЧ-сигнала антени 4. Вибірковим підсилювачем 13 низької частоти виділяється і підсилюється напруга низькочастотної огинаючої. Враховуючи, що огинаюча має прямокутну форму, низькочастотну напругу можна представити у вигляді U '- U4 " U5 = K 4 × 4 × signsin2pFt + U6 (t ) 2 , (15) де К4 - коефіцієнт усереднення напруги квадратичного детектора 12; F - часто та генератора 17 низької частоти; U6(t) - напруга низькочастотних шумів квадратичного детектора 12. Вибірковим підсилювачем 13 низької частоти, налагодженим на частоту перемикань F широкосмугового комутатора полярності 6, з шумів і прямокутної напруги (15) виділяється перша гармоніка змінної напруги, яка і підсилюється U '- U4 " U7 = K 4K 5 × 4 × sin2p Ft 2 , (16) де К5 - коефіцієнт підсилення вибіркового підсилювача 13 низької частоти. Підсилена напруга випрямляється синхронним детектором 14 і згладжується фільтром 15 нижніх частот. Напруга, вимірювана вольтметром 16 · · 2 2 U8 = 2S1 S 2S 3K1 K 2K 2K 4K 5K 6 × r E K1 EK 2 , (17) 2 3 де S3 - крутизна перетворення синхронного детектора 14; К6 - коефіцієнт передачі фільтру 15 нижніх частот. При введенні узагальненої крутизни одноканального перетворення сигналів результат вимірювання представимо так · · U8 = S0 × r E K1 EK 2 , (18) 2 2 2 2 де S 0 = 2S1 S2 S3 K1 K 2K 3K 4 K 5K 6 - узагальнена крутизна одноканального перетворення сигналів. Для визначення тісноти статистичного зв'язку між шумами різних ділянок спектрів НВЧ-сигналів, що приймаються, перебудовують частоту НВЧгетеродина 10. У смугу пропускання підсилювача 9 34876 11 проміжної частоти потрапляють нові ділянки спектру шумів і виявляється їх кореляційний зв'язок. Результати частотного аналізу кореляційного зв'язку приймаємих НВЧ-сигналів можна представити у вигляді · · U9 = S0 × r(w)EK 1 EK 2 . (19) Тут r(w ) - коефіцієнт взаємної кореляції на частотах спектру, що виділяються гетеродином 10: Dwc = wГ + (wП ± D wП ) , (20) де wГ - частота НВЧ-ге теродина 10; wП і DwП - частота і смуга пропускання підсилювача 11 проміжної частоти. Якщо антени 1 і 4 розташовані рівновіддалено відносно випромінюючого об'єкту 20, то можна вважати · · · EK1 = EK 2 = E K . (21) З урахуванням (21) вирази (18) і (19) приймають вигляд: · 2 U8 = S0 × r × EK S 0 × r × PK , (22) · 2 U8 = S0 × r(w)EK 2 S0 × r(w) × PK , (23) 2 де PK = EK - повна потужність приймаємих корельованих шумів (при ρ=1). Таким чином, за результатами вимірювань (22) і (23) можна оцінювати потужність випроміню Комп’ютерна в ерстка Д. Шев ерун 10 вання електромагнітної енергії різних об'єктів на фоні інтенсивних шумів і завад. Якщо антени приймають випромінювання від двох джерел, то згідно (18) і (19) можна оцінити тісноту статистични х процесів, що синхронізуються одним впливаючим чинником. Нарешті, можливість частотного аналізу кореляційних зв'язків дозволяє ідентифікувати джерела з різними видами шумів (теплові, дробові, контактні і т.п.). Використання запропонованого НВЧінтерферометра в радіовимірювальній техніці дозволяє: - істотно підвищити чутливість до когерентних випромінювань за рахунок розширення смуги частот шумових сигналів, полярність яких в широкому діапазоні частот змінюється періодично комутатором на НВЧ-перемикачах; - знизити похибки вимірювання потужності когерентних сигналів за рахунок одноканальності перетворення двох шумових сигналів одними і тими ж масштабними та функціональними ланками; - розширити частотний діапазон інтерференційних вимірювань шляхом використання широкосмугових елементів і ланок, а також одноканального гетеродинного перетворення частот двох НВЧсигналів; - у біологічних об'єктах оцінювати інтенсивність і взаємозв'язок клітинних іонних струмів в різних біологічно активних зонах, які значною мірою корельовані за рахунок ритміки живих організмів на фоні переважаючих теплових шумів, що генеруються різними тканинами і органами. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601