Пристрій для вимірювання спектральної щільності потужності низькоінтенсивних електромагнітних випромінювань

Пристрій для вимірювання спектральної щільності потужності низькоінтенсивних електромагнітних випромінювань, що містить приймальну широкосмугову антену, з'єднану з хвилевідним діодним ключем, балансний змішувач, до керуючого входу якого підключений налагоджуваний гетеродин, а до виходу - послідовно з'єднані вузькосмуговий підсилювач проміжної частоти, квадратичний детектор, фільтр нижніх частот, вибірковий підсилю 3 мірою визначається структурою спектру ЕМВ і рівнем шумів приймальної частини аналізатора. Відомий пристрій для вимірювання спектральної щільності потужності низькоінтенсивних електромагнітних випромінювань [Измерения в электронике: Справочник / В.А. Кузнецов, В.А. Долгов, С.М. Коневских и др.; Под ред. В.А. Кузнецова М.: Энергоатомиздат, 1987. - С. 435-439], що містить вхідний приймальний пристрій, змішувач з гетеродином, вузькосмуговий підсилювач проміжної частоти, амплітудний детектор, індикатор і блок керування гетеродином і індикатором. Роздільна здатність пристрою визначається подвоєною смугою пропускання вузькосмугового підсилювача проміжної частоти (ППЧ), в смугу пропускання якого повинен потрапляти лише сигнал різницевої частоти вигляду fC fГ fП (1) , fC де - частота ділянки спектру, що виділяється; fГ - частота налагоджуваного гетеродина; fП - частота налагодження вузькосмугового ППЧ. Проте, при аналізі низькоінтенсивних ЕМВ з суцільним спектром в смугу пропускання потрапляють і власні шуми приймальної антени, змішувача, гетеродина та інших високочастотних елементів вхідного пристрою, що значно спотворює результати вимірювань. Відомий пристрій для вимірювання спектральної щільності потужності низькоінтенсивних електромагнітних випромінювань [Головко Д.Б. та ін. Надвисокочастотні методи та засоби вимірювання фізичних величин: Навч.посібник / Д.Б. Головко, Ю.О. Скрипник, О.П. Яненко. - К.: Либідь, 2003. - С. 72-75], що містить приймальну антену, НВЧ комутатор, керований генератором низької частоти, змішувач з гетеродином, вузькосмуговий підсилювач проміжної частоти, квадратичний детектор, вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор, фільтр нижніх частот і вихідний прилад. Завдяки НВЧ комутатору, який періодично перемикає приймальну антену на еквівалентне навантаження, виключається вплив власних шумів приймального тракту. Проте, неминуча несиметрія самого НВЧ комутатора і мала розв'язка плечей НВЧ комутатора в діапазоні міліметрових і субміліметрових довжин хвиль обумовлює появу додаткових похибок перетворення НВЧ сигналів в сигнали проміжної частоти, що знижує точність та роздільну здатність аналізу спектрів. Відомий також пристрій для вимірювання спектральної щільності потужності низькоінтенсивних електромагнітних випромінювань [Деклараційний патент України №68120А, МПК G01R29/08, 2004p.], що містить приймальну широкосмугову антену, з'єднану з хвилеводним діодним ключем, балансний змішувач, до керуючого входу якого підключений налагоджуваний гетеродин, а до виходу - послідовно з'єднані вузькосмуговий підсилювач проміжної частоти, квадратичний детектор, фільтр нижніх частот, вибірковий підсилювач низь 48597 4 кої частоти, синхронний детектор і інтегратор, а генератор низької частоти з'єднаний з керуючими входами синхронного детектора і хвилеводного діодного ключа. Крім того, пристрій включає спрямований відгалужувач, вентиль, балансний модулятор, керований підсилювач проміжної частоти, атенюатор, диференціальний підсилювач і джерело стабілізованої постійної напруги. Усунення впливу власних шумів приймальної широкосмугової антени здійснюється подачею частини потужності коливань гетеродина, що модулюються напругою проміжної частоти, на вхід балансного змішувача через спрямований відгалужувач, який включений між хвилеводним діодним ключем і сигнальним входом балансного змішувача. Атенюатор в ланцюзі керованого підсилювача проміжної частоти дозволяє регулювати рівень компенсуючого сигналу, який надходить в спрямований відгалужувач і відбивається від закритого хвилеводного ключа, імітуючи власний шум приймальної широкосмугової антени. Виділення вузької ділянки спектру широкосмугового ЕМВ здійснюється за допомогою гетеродинного перетворювача частоти прийнятого широкосмуговою антеною сигналу і виділення сигналу різницевої частоти вузькосмуговим ППЧ. Проте, в смугу пропускання ППЧ потрапляють не тільки спектральні складові широкосмугового сигналу, які задовольняють умові (1), але і спектральні складові з сусідньої ділянки спектру з дзеркальною частотою fC ' fC fП (2) . Чим менше проміжна частота fП , тим ближче сусідні ділянки спектру ЕМВ, частоти яких переносяться на проміжну частоту. При цьому слід врахувати, що при використанні різницевої частоти повне збереження структури ділянки спектру, що виділяється, виходить лише у тому випадку, коли fC fГ . Якщо ж fC fГ , то має місце «вивертання» спектру сигналу [Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: "Советское радио", 1987. - С. 141-146]. Якщо ділянки спектру несиметричні відносно частоти гетеродина, особливо по знаку спектральних складових, то при підсумовуванні сигналів проміжної частоти від двох сусідніх ділянок спектру виникають спотворення аж до зникнення вихідного сигналу ППЧ. Тому відомий пристрій працює з невисокою точністю і недостатньою роздільною здатністю із-за накладення сигналів ППЧ основного і дзеркального каналів перетворення частоти. В основу корисної моделі покладена задача створити такий пристрій для вимірювання спектральної щільності потужності низькоінтенсивних електромагнітних випромінювань, в якому введенням нових елементів і зв'язків пригнічувався б вплив дзеркального каналу гетеродинного перетворення частоти досліджуваної ділянки спектру випромінювання, що приймається, що забезпечило б підвищення точності і роздільної здатності аналізу спектрів ЕМВ по розподілу спектральної щільності потужності в широкому діапазоні частот. 5 Поставлена задача досягається тим, що в пристрій для вимірювання спектральної щільності потужності низькоінтенсивних електромагнітних випромінювань, що містить приймальну широкосмугову антену, з'єднану з хвилеводним діодним ключем, балансний змішувач, до керуючого входу якого підключений налагоджуваний гетеродин, а до виходу - послідовно з'єднані вузькосмуговий підсилювач проміжної частоти, квадратичний детектор, фільтр нижніх частот, вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор і інтегратор, а генератор низької частоти з'єднаний з керуючими входами синхронного детектора і хвилеводного діодного ключа, згідно з корисною моделлю, в нього введені хвилеводний трійник, відрізок хвилеводу з крайовим поглинаючим навантаженням, налагоджуваний резонатор, петля зв'язку і реєструючий вольтметр, вхід якого з'єднаний з виходом інтегратора та кінематично з'єднаний з налагоджуваним гетеродином і налагоджуваним резонатором, вхід якого з'єднаний з виходом хвилеводного трійника, один вхід якого з'єднаний з виходом хвилеводного діодного ключа, до іншого входу якого підключений відрізок хвилеводу з крайовим поглинаючим навантаженням, а вихід налагоджуваного резонатора через петлю зв'язку з'єднаний з сигнальним входом балансного змішувача. Саме введення в пристрій для вимірювання спектральної щільності потужності низькоінтенсивних електромагнітних випромінювань хвилеводного трійника, відрізка хвилеводу з крайовим поглинаючим навантаженням, налагоджуваного резонатора, петлі зв'язку і реєструючого вольтметра, стрічкопротяжний механізм якого кінематично з'єднаний з налагоджуваним гетеродином і налагоджуваним резонатором, дозволяє виділити налагоджуваним резонатором з суцільного спектру прийнятого широкополосною антеною ЕМВ вузької ділянки, на яку одночасно з налагоджуваним резонатором налагоджується частота гетеродина, зміщена на значення проміжної частоти. При цьому повністю пригнічується можливість перенесення на проміжну частоту складових спектру ЕМВ з сусідніх ділянок. Періодично шунтоване хвилеводне навантаження компенсує власний шум приймальної широкополосної антени, яка періодично відключається від вимірювальної схеми хвилеводним діодним ключем. Безперервна зміна частот налагодження налагоджуваного резонатора і налагоджуваного гетеродина стрічкопротяжним механізмом реєструючого вольтметра забезпечує реєстрацію огинаючої спектру досліджуваного ЕМВ. В результаті підвищується точність і роздільна здатність аналізу безперервних спектрів ЕМВ по розподілу спектральної щільності потужності в широкому діапазоні частот. На кресленні представлена електрична функціональна схема пристрою для вимірювання спектральної щільності потужності низькоінтенсивних електромагнітних випромінювань. Пристрій містить приймальну широкосмугову антену 1, вихід якої через хвилеводний діодний ключ 2 з'єднаний з входом хвилеводного трійника 3, до другого входу якого підключений відрізок 48597 6 хвилеводу 4 з крайовим поглинаючим навантаженням. Вихід хвилеводного трійника 3 з'єднаний з входом налагоджуваного резонатора 5, вихід якого через петлю зв'язку 6 з'єднаний з сигнальним входом балансного змішувача 7, керуючий вхід якого з'єднаний з налагоджуваним гетеродином 8. До виходу балансного змішувача 7 підключені послідовно з'єднані вузькосмуговий підсилювач 9 проміжної частоти, квадратичний детектор 10, фільтр 11 нижніх частот, вибірковий підсилювач 12 низької частоти, синхронний детектор 13, інтегратор 14 і реєструючий вольтметр 15. Генератор 16 низької частоти з'єднаний з керуючими входами синхронного детектора 13 і хвилеводного діодного ключа 2. Стрічкопротяжний механізм реєструючого вольтметра 15 з'єднаний кінематично з налагоджуваним резонатором 5 і налагоджуваним гетеродином 8. Пристрій для вимірювання спектральної щільності потужності низькоінтенсивних електромагнітних випромінювань працює наступним чином. Низькоінтенсивне ЕМВ, що має найчастіше шумовий характер і, внаслідок цього, суцільний спектр, потрапляє на приймальну широкосмугову антену 1 і перетворюється в сигнал надвисокої частоти (НВЧ). Хвилеводний діодний ключ 2, який керується напругою генератора 16 низької частоти, періодично перериває вихідний НВЧ сигнал приймальної широкосмугової антени 1. При відкритому хвилеводному діодному ключі 2 НВЧ сигнал, який є сумішшю зовнішнього (корисного) шумового сигналу і власних шумів приймальної широкосмугової антени 1, поступає через хвилеводний трійник 3 на налагоджуваний резонатор 5. НВЧ шуми відрізку хвилеводу 4 з крайовим поглинаючим навантаженням при цьому шунтуються низькоомним опором приймальної широкосмугової антени 1, що практично перешкоджає надходженню їх в налагоджуваний резонатор 5. В закритому стані хвилеводного діодного ключа 2 припиняється надходження прийнятого НВЧ сигналу з шумами приймальної широкосмугової антени 1 в налагоджуваний резонатор 5. Але через відключення приймальної широкосмугової антени 1 з низькоомним опором НВЧ шуми відрізку хвилеводу 4 з крайовим поглинаючим навантаженням починають поступати в налагоджуваний резонатор 5. При періодичній роботі хвилеводного діодного ключа 2 на вхід налагоджуваного резонатора 5 поступають радіоімпульси, заповнені в один напівперіод роботи хвилеводного діодного ключа 2 НВЧ сигналом, що приймається, з шумами приймальної широкосмугової антени 1, а в інший напівперіод - радіоімпульси, заповнені шумами відрізку хвилеводу 4 з крайовим поглинаючим навантаженням. В налагоджуваному резонаторі 5 з шумових радіоімпульсних НВЧ сигналів відбувається виділення вузької ділянки суцільного спектру цих сигналів. Ширина ділянок спектрів, що виділяються, визначається смугою пропускання налагоджуваного резонатора 5 на його резонансній частоті. Початкове значення резонансної частоти налагоджуваного резонатора 5 задається початковим положенням стрічкопротяжного механізму реєструючого вольтметра 15. Одночасно стрічкопротя 7 жний механізм за допомогою кінематичного зв'язку встановлює і початкову частоту налагоджуваного гетеродина 8, яка повинна бути нижча за резонанf сну частоту P налагоджуваного резонатора 5 на значення проміжної частоти вузькосмугового підсилювача 9 проміжної частоти. Частоту налагодження вузькосмугового підсилювача 9 проміжної частоти вибирають з умови f fP / 2 (3) , f де P - ефективна ширина смуги пропускання налагоджуваного резонатора 5. При виконанні умови (3) в смугу пропускання вузькосмугового підсилювача 9 проміжної частоти потрапляють тільки сигнали проміжної (різницевої) частоти вигляду f fC fГ (4) f де C - частота спектральної складової радіоімпульсних сигналів що виділяються налагоджуваf f ним резонатором 5 ( C Г ); fГ - встановлена частота налагоджуваного гетеродина 8. Сигнали по дзеркальному каналу перетворення частоти з сусідніх ділянок спектрів НВЧ сигналів з частотою f ' fГ fC (5) у смугу пропускання вузькосмугового підсилювача 9 проміжної частоти не потрапляють. Завдяки цьому не відбувається ослаблення і спотворення сигналів проміжної частоти із-за дзеркальних перешкод. Смугу пропускання вузькосмугового підсилювача 9 проміжної частоти вибирають достатf fP f ньо вузькою ( ). В результаті цього з виділених налагоджуваним резонатором 5 ділянок суцільних спектрів НВЧ радіоімпульсних сигналів формуються вузькосмугові радіоімпульсні сигнали f проміжної частоти в смузі з НВЧ сигналів з інтервалом частот: (6) fC fГ f f . Вузькосмугові радіоімпульси проміжної частоти детектуються квадратичним детектором 10 і згладжуються фільтром 11 нижніх частот. На виході фільтру 11 нижніх частот утворюються відеоімпульси, що слідують з низькою частотою перемикання хвилеводного діодного ключа 2. При відкритому стані хвилеводного діодного ключа 2 амплітуда відеоімпульсів із-за некоррельованості прийнятого сигналу і шумів U1 S JX JA JГ f (7) , S - крутизна гетеродинного перетворення де потужності НВЧ радіоімпульсів в напругу відеоімпульсів; JX - спектральна щільність потужності прийнятого випромінювання; JA - спектральна щільність потужності шумів приймальної широкосмугової антени 1; 48597 8 JГ - спектральна щільність потужності шумів гетеродинного перетворювача частоти - балансного змішувача 7 і налагоджуваного гетеродина 8. У закритому стані хвилеводного діодного ключа 2 амплітуда відеоімпульсів зменшується до значення U2 S JH JГ f , (8) J де H - спектральна щільність потужності шумів відрізку хвилеводу 4 з крайовим поглинаючим навантаженням. При періодичному відкритті-закритті хвилеводного діодного ключа 2 в часовій послідовності відеоімпульсів з амплітудами (7) і (8) з'являється змінна складова напруги з амплітудою U1 U2 2 S JX 2 (9) . Частота змінної напруги визначається низькою частотою генератора 16 низької частоти, який керує роботою хвилеводного діодного ключа 2, Вибірковий підсилювач 12 низької частоти налагоджений на частоту генератора 16 низької частоти. Тому змінна напруга з амплітудою (9) виділяється з низькочастотних шумів квадратичного детектора 10 і підсилюється до значення U3 U4 SK1 JX 2 JA JA JH JH f f UШ (10) , K де 1 - коефіцієнт підсилення вибіркового підсилювача 12 низької частоти; UШ - середньоквадратична напруга шумів, що потрапляють в смугу пропускання вибіркового підсилювача 12 низької частоти. Підсилена змінна напруга випрямляється синхронним детектором 13, який керується безпосередньо напругою генератора 16 низької частоти. Випрямлена напруга в суміші з низькочастотними шумами (10) інтегрується інтегратором 14 з великою постійною часу (до 3-5с). Виділена постійна складова напруги вимірюється і реєструється реєструючим вольтметром 15. Виміряна напруга U5 SK1K 2K3 2 JX JA JH f , (11) K де 2 - коефіцієнт випрямлення синхронного детектора 13; K3 - коефіцієнт передачі інтегратора 14. Опір відрізку хвилеводу 4 з крайовим поглинаючим навантаженням регулюють так, щоб компенсувати власні шуми приймальної широкосмугової антени 1: JA JH . (12) Умова (12) забезпечується калібруванням пристрою при спрямуванні приймальної широкосмугової антени 1 на нейтральний фон регулюванням опору відрізку хвилеводу 4 з крайовим поглинаючим навантаженням. В результаті калібрування реєструючий вольтметр 15 фіксує напругу U6 S0 JX f , (13) 9 48597 S де 0 - результуюча крутизна перетворення спектральної щільності потужності випромінювання в постійну напругу ( S0 0,5 S K1K 2K3 ) при f const . З виразу (13) слідує, що результат вимірювання є пропорційним спектральній щільності потужності прийнятого випромінювання в смузі частот вузькосмугового підсилювача 9 проміжної частоти. При цьому результат вимірювання не залежить від рівня шумів як приймальної широкосмугової антени 1, так і шумів гетеродинного перетворювача частоти - балансного змішувача 7 і налагоджуваного гетеродина 8. Також повністю виключені завади по дзеркальному каналу гетеродинного перетворювача частоти (блоки 7 і 8). В результаті роботи стрічкопротяжного механізму реєструючого вольтметра 15 наряду з реєстрацією вимірювання відбувається подальше переfP строювання резонансної частоти налагоджуваного резонатора 5 і перестроювання f частоти Г налагоджуваного гетеродина 8 в бік зростання. При цьому в процесі перестроювання зберігається різниця частот налагоджуваного резонатора 5 і налагоджуваного гетеродина 8 fP fГ const f . (14) В результаті перестроювання частоти налагоджуваного резонатора 8 відбувається нове вимірювання спектральної щільності потужності випромінювання згідно (13), але при новому значенні частоти налагоджуваного гетеродина 8. Результат вимірювання реєструється на діаграмній стрічці реєструючого вольтметра 15. При цьому він відображає значення спектральної щільності потужності на кожній сусідній, зміщеній по частоти, ділянці спектральної характеристики випромінювання. При повільному перестроюванні частоти налаго Комп’ютерна верстка Л. Купенко 10 джуваного резонатора 5 і налагоджуваного гетеродина 8 відбувається безперервне сканування ЕМВ і вимірювання спектральної щільності потужності досліджуваного ЕМВ залежно від поточної частоти сканованої ділянки його спектру. Автоматична реєстрація результатів вимірювань відображає огинаючу безперервного спектру випромінювання низькоінтенсивного ЕМВ в діапазоні перестроювання частот налагоджуваного резонатора 5 і налагоджуваного гетеродина 8. Таким чином, використання запропонованого пристрою для вимірювання спектральної щільності потужності низькоінтенсивних електромагнітних випромінювань дозволяє: - виявляти в спектрі шумових випромінювань техногенного походження (радіотеплові і плазмові випромінювання, випромінювання шумоподібних систем зв'язку, випромінювання імпульсних систем радіолокацій і т.п.) існуючі нерівномірності, пов'язані з розповсюдженням і поглинанням радіохвиль в різних середовищах; - аналізувати в біологічних об'єктах характер ЕМВ залежно від будови біотканин і глибини розташування джерел випромінювання, їх температури і розмірів клітинних структур; - виявляти області резонансних взаємодій мікрочасток і молекулярних систем органів і фізіологічних систем людини залежно від інтенсивності і частоти спектральних складових ЕМВ; - здійснювати прогноз стану гомеостазу живих організмів порівнянням форм огинаючих спектрів здорових і уражених ділянок в біологічно активних точках (БАТ) і біологічно активних зонах (БАЗ) тіла людини; - реєструвати нерівномірність частотних характеристик елементів приймальних трактів радіометрів та інших НВЧ вимірювальних систем при порівнянні з ЕМВ зразкових джерел широкосмугових шумів. 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