Кореляційний радіометр

Кореляційний радіометр, що містить приймальну антену, до виходу якої підключений дільник потужності, два широкосмугові НВЧ підсилювачі, виходи яких з'єднані з входами перемножувача НВЧ сигналів, вихід якого з'єднаний з фільтром нижніх частот, генератор низької частоти і реєстратор, який відрізняється тим, що в нього додатково введені інвертор, підсилювач відеоімпульсів, два резистори, два конденсатори, потенціометр, диференціальний підсилювач, два автоматичні перемикачі, загальна заземлена шина, а дільник 3 Відомий кореляційний радіометр [Скрипник Ю.О., Манойлов В.П., Яненко О.П. Модуляційні радіометричні пристрої та системи НВЧ діапазону. Навчальний посібник. - Житомир. ЖІТІ, 2001. - С. 14-15], що містить в приймальних каналах змішувачі, керуючі входи яких через буферні підсилювачі з'єднані з гетеродином, підсилювачі проміжної частоти, підключені до виходів змішувачів. Оскільки основне підсилення прийнятого антеною сигналу забезпечують підсилювачі проміжної частоти, які працюють на фіксованій різницевій частоті, то й вплив їх власних шумів значно понижений. Проте вузька смуга пропускання підсилювачів проміжної частоти, яка визначає і смугу прийому кореляційного радіометра, істотно підвищує його поріг чутливості. Неминуча нестабільність перемножувача НВЧ сигналів (дрейф його нуля) знижує точність вимірювання потужності електромагнітних випромінювань, що приймаються. Відомий також кореляційний радіометр [Деклараційний патент України №9354, МПК G01R29/08, 2005 p.], що містить приймальну антену, до виходу якої підключений дільник потужності, два широкосмугові НВЧ підсилювачі, виходи яких з'єднані з входами перемножувача НВЧ сигналів, вихід якого з'єднаний з фільтром нижніх частот, генератор низької частоти і реєстратор. Крім того, відомий кореляційний радіометр включає балансний модулятор, атенюатор, балансний змішувач, вибірковий підсилювач низької частоти і синхронний детектор. Завдяки балансній модуляції одного з перемножуваних сигналів і виділенню змінної складової напруги з перемножених сигналів вибірковим підсилювачем низької частоти виключений вплив дрейфу нуля перемножувача (балансного змішувача) на точність вимірювання потужності випромінювань. Виключається також вплив корельованих шумів НВЧ підсилювачів, дія яких виявляється в додатковому зсуві нуля перемножувача НВЧ сигналів. Проте у відомому кореляційному радіометрі генерується і додатковий низькочастотний шум на виході синхронного детектора із-за нестабільності частоти модулюючого генератора низької частоти. При цьому інтенсивність шуму зростає Із зменшенням смуги пропускання вибіркового підсилювача низької частоти, яка звужується із-за необхідності підвищення чутливості радіометра. Крім того, у відомій схемі відсутні регульовані елементи, за допомогою яких можна було б просто встановлювати нуль при калібруванні радіометра. Тому підвищити точність і чутливість у відомій схемі кореляційного радіометра не представляється можливим. В основу корисної моделі покладена задача створити такий кореляційний радіометр, в якому введення нових елементів і зв'язків дозволило б зменшити рівень низькочастотних шумів при допустимому часі усереднення і забезпечило б можливість регулювання нуля на виході вимірювальної схеми, що підвищить чутливість і точність кореляційного радіометра. Поставлена задача досягається тим, що в кореляційний радіометр, що містить приймальну 48614 4 антену, до виходу якої підключений дільник потужності, два широкосмугові НВЧ підсилювачі, виходи яких з'єднані з входами перемножувача НВЧ сигналів, вихід якого з'єднаний з фільтром нижніх частот, генератор низької частоти і реєстратор, згідно з корисною моделлю, в нього введені інвертор, підсилювач відеоімпульсів, два резистори, два конденсатори, потенціометр, диференціальний підсилювач, два автоматичні перемикачі, загальна заземлена шина, а дільник потужності виконаний з трьома виходами, причому керуючі входи автоматичних перемикачів підключені до виходу генератора низької частоти, входи першого автоматичного перемикача з'єднані з першим виходом дільника потужності безпосередньо і з третім виходом через інвертор, вихід першого автоматичного перемикача з'єднаний з входом першого широкосмугового НВЧ підсилювача, вхід другого широкосмугового НВЧ підсилювача з'єднаний з другим виходом дільника потужності, вихід фільтру нижніх частот через підсилювач відеоімпульсів з'єднаний з входом другого автоматичного перемикача, виходи якогоз'єднані через пару послідовно включених резистора і конденсатора з входами потенціометра, який з'єднаний із загальною заземленою шиною, входи диференціального підсилювача з'єднані з потенціальними електродами двох конденсаторів, а його вихід з'єднаний з реєстратором. Саме введення в схему кореляційного радіометра інвертора, третього виходу в дільнику потужності, підсилювача відеоімпульсів, двох резисторів, двох конденсаторів, потенціометра, диференціального підсилювача і двох автоматичних перемикачів, з'єднаних вказаним чином, дозволяє періодично з низькою частотою змінювати полярність одного з перемножуваних НВЧ сигналів до його підсилення і отримувати за рахунок цього знакозмінну складову напруги на виході перемножувача НВЧ сигналів. Синхронна робота двох автоматичних перемикачів забезпечує роздільне усереднення напруги двох добутків шумових сигналів, в яких знакозмінна складова напруги відображає корисну складову шумового сигналу, пропорційного потужності прийнятого електромагнітного випромінювання. Диференціальний підсилювач, підключений до потенціальних електродів конденсаторів усереднюючих ланцюжків, виділяє і підсилює тільки корисний сигнал, який безпосередньо реєструється. Потенціометр, включений в усереднюючі ланцюжки, забезпечує досить просто установку нуля кореляційного радіометра при його калібруванні. Завдяки новим елементам і зв'язкам підвищується точність і чутливість кореляційного радіометра. На кресленні представлена функціональна схема кореляційного радіометра. Пристрій містить приймальну широкосмугову антену 1, до виходу якої підключений дільник потужності 2 з трьома виходами. До першого виходу дільника потужності 2 безпосередньо і до його третього виходу через інвертор 3 підключений автоматичний перемикач 4 своїми двома входами. Вхід широкосмугового НВЧ підсилювача 5 з'єднаний з виходом автоматичного перемикача 4, а вхід 5 широкосмугового НВЧ підсилювача 6 з'єднаний безпосередньо з другим виходом дільника потужності 2. Перемножувач 7 НВЧ сигналів по входам з'єднаний з виходами широкосмугових НВЧ підсилювачів 5 і 6. До виходу перемножувача 7 НВЧ сигналів підключені послідовно з'єднані фільтр 8 нижніх частот, підсилювач 9 відеоімпульсів і автоматичний перемикач 10 своїм входом. До одного виходу автоматичного перемикача 10 підключений інтегруючий (усереднюючий) ланцюжок з резистора 11 і конденсатора 12, до іншого виходу - інтегруючий (усереднюючий) ланцюжок з резистора 13 і конденсатора 14. Конденсатори 12 і 14 через потенціометр 15 і його рухомий контакт з'єднані із загальною заземленою шиною 19. Потенціальні електроди конденсаторів 12 і 14 усереднюючих ланцюжків з'єднані з входами диференціального підсилювача 16, до виходу якого підключений реєстратор 17. Генератор 18 низької частоти з'єднаний з керуючими входами автоматичних перемикачів 4 і 10. Кореляційний радіометр працює наступним чином. Електромагнітне випромінювання (ЕМВ) багатьох фізичних і біологічних об'єктів має шумоподібний характер. Під дією такого ЕМВ в приймальній широкосмуговій антені 1 наводиться НВЧ сигнал з широким спектром, який дільником потужності 2 розділяється на три однакових НВЧ сигнали:     E1 E 2 E 3 K 1E, (1)  де E - комплексна амплітуда напруженості ЕМВ, що приймається; К1 - коефіцієнт передачі дільника потужності 2 по кожному з трьох напрямів.  E НВЧ сигнал 1 та інвертований інвертором 3  E НВЧ сигнал - 2 через автоматичний перемикач 4 по черзі з низькою частотою впливають на вхід широкосмугового НВЧ підсилювача 5. НВЧ сигнал  E3 з другого виходу дільника потужності 2 безпосередньо впливає на вхід широкосмугового НВЧ підсилювача 6. Рівень сигналу, що приймається приймальною широкосмуговою антеною 1, зазвичай малий і сумірний з власними шумами широкосмугових НВЧ підсилювачів 5 і 6. Тому вхідні сигнали широкосмугових НВЧ підсилювачів 5 і 6 представимо у вигляді алгебраїчної суми комплексних напруженостей корисного сигналу і шуму. Тоді підсилені НВЧ сигнали при вказаному положенні автоматичного перемикача 4:    E 5 K 2 K 1E E 4 , (2)  E6  K 3 K 1E  E5 , (3) де К2 і К3 - коефіцієнти підсилення широкосмугових НВЧ підсилювачів 5 і 6;   E 4 i E5 - комплексні амплітуди напруженостей власних шумів широкосмугових НВЧ підсилювачів 5 і 6. У протилежному положенні автоматичного перемикача 4 відповідно маємо: 48614 6  E5 K2  K 1E  E6  K 3 K 1E  E4 , (4)  E5 , (5) В результаті безперервної роботи автоматичного перемикача 4, керованого генератором 18 низької частоти, на виході широкосмугового НВЧ підсилювача 5 формуються радіоімпульси з амплітудами (2) і (4), що слідують з низькою частотою, і такі, що впливають на один з входів перемножувача 7 НВЧ сигналів. Радіоімпульси (2), (4), перемножені з безперервним НВЧ сигналом (3), (5), після усереднення фільтром 8 нижніх частот перетворюються у відеоімпульси з напругою:  (6) U SK E E , 1 4 5 6  (7) U2 SK 4 E 5E 6 , де S - крутизна перемножувального перетворення; К4 - коефіцієнт передачі фільтру 8 нижніх частот. Підставляючи значення перемножуваних сигналів, отримуємо: U3 2 SK 2K 3K 4 K 1 E 2 U4 SK 2K 3K 4 2 K1 E2  K 1EE 4  K 1EE 4  K 1EE 5   E 4E 5  K 1EE 5   E 4E 5 Uc , Uc , (8) (9) U де c - усереднене значення зсуву (дрейф нуля) перемножувача 7 НВЧ сигналів. При оцінці добутків (8) і (9) слід врахувати, що власні шуми широкосмугових НВЧ підсилювачів 5 і 6 корельовані, до певної міри, між собою. В той же час прийнятий приймальною широкосмуговою антеною 1 шумовий сигнал не корельований з власними шумами двох незалежних широкосмугових НВЧ підсилювачів 5 і 6. Тому напруга відеоімпульсів з урахуванням придушення впливу некорельованих шумів можна представити у вигляді: U5 SK 2K 3K 4 b E 4 E 5 K 1E 2 Uc , (10) U6 SK 2K 3K 4 b E 4 E 5 K 1E 2 Uc , (11) де b - коефіцієнт взаємної кореляції власних шумів широкосмугових НВЧ підсилювачів 5 і 6; E 4 i E5 - середньоквадратичні значення напруженостей цих шумів. Відеоімпульси (10) і (11) по черзі підсилюються підсилювачем 9 відеоімпульсів і через автоматичний перемикач 10 по черзі впливають на інтегруючі ланцюжки, що містять резистори 11, 13 і конденсатори 12, 14. Оскільки автоматичні перемикачі 4 і 10 працюють синхронно, то конденсатор 12 заряджається напругою (10), а конденсатор 14 напругою (11). Якщо врахувати, що квадрат напруженості електромагнітної хвилі пропорційний потужності ЕМВ, то напруга на конденсаторі 12 (12) U7 SK 2K 3K 4 b E 4 E5 K 5PX Uc , а на конденсаторі 14 (13) U8 SK 2K 3K 4 b E 4 E5 K 5PX Uc , 7 де K5 - коефіцієнт пропорційності; РX - потужність досліджуваного ЕМВ. Диференціальним підсилювачем 16 підсилюється різницева напруга, значення якої U9 = U7 – U8 = 2SK2K3K4K5K6PX, (14) де K6 - коефіцієнт підсилення диференціального підсилювача 16. Підсилена напруга (14) фіксується реєстратором 17, покази якого залежать від положення рухомого контакту потенціометра 15. В процесі калібрування кореляційного радіометра, коли його приймальна широкосмугова антена 1 спрямовується на нейтральний фон, потенціометром 15 встановлюється нульовий показ реєстратора 17, що свідчить про компенсацію ЕМВ фону. Як видно з формули (14), результат вимірювання потужності РX досліджуваного ЕМВ не залежить від рівня власних шумів широкосмугових НВЧ підсилювачів 5 і 6 - як некорельованих, так і корельованих. Усувається також вплив дрейфу нуля перемножувача 7 НВЧ сигналів і нестабільність нуля підсилювача 9 відеоімпульсів. Низькочастотні шуми пригнічуються інтегруючими (усереднюючими) ланцюжками, що містять резистори 11, 13 і конденсатори 12, 14. Завдяки роздільній інтеграції відеоімпульсів відносно просто вирішено задачу калібрування кореляційного радіометра і установки його нуля навіть за наявності залишкового фону ЕМВ. Дослідження макетного зразка кореляційного радіометра по запропонованій схемі показали, що виключення з схеми вузькосмугового вибіркового підсилювача, налагодженого на частоту генератора низької частоти, який одночасно керує роботою автоматичного перемикача і синхронного детектора, що характерно для схеми-прототипу, знижує рівень низькочастотних шумів на 30-40 дБ. Роздільне усереднення відеоімпульсів і виділення різницевої напруги диференціальним підсилювачем з великим коефіцієнтом підсилення (60-70 дБ) дозволяє істотно підвищити чутливість вимірювання малих потужностей ЕМВ (не менше, ніж на порядок). Можливість балансування схеми роздільного усереднення відеоімпульсів введеним потенціометром спрощує установку нуля кореляційного радіометра, що підвищує точність вимірювання малих значень потужності ЕМВ. 48614 8 Розширення смуги частот ЕМВ, що приймається, досягнуто завдяки виключенню з схеми кореляційного радіометра балансного модулятора, а також використанню приймальної широкосмугової антени і широкосмугового інвертора, що працює спільно з дільником потужності (замість дільника потужності на два напрями в схемі-прототипі). Як широкосмугова антена використаний мініатюрний випромінювач Вівальді, який забезпечує робочу смугу частот до декількох октав (0,5 6,0ГГц). Антена виконана на підкладці з матеріалу ФЛАН (діелектрична проникність 2,8 відн.од., товщина 2мм) і містить щілинну порожнину з переходом в мікросмужок. Антена пов'язана з дільником потужності за допомогою симетруючого трансформатора на двопровідній полосковій лінії з вихідним опором, близьким до 100 Ом. Щілинний отвір антени визначається двома експоненційними кривими з параболічними краями з КСХ 2,0 і вище при низьких втратах. Розширення смуги приймання досліджуваного ЕМВ також сприяє підвищенню чутливості кореляційного радіометра і зниженню його флюктуаційного порогу чутливості. Таким чином, введені елементи і зв'язки забезпечують досягнення поставленої мети - підвищення чутливості і точності кореляційного радіометра. Реалізація запропонованого пристрою здійснюється на основі існуючих елементів радіоелектроніки і не вимагає розробки нових елементів. Використання кореляційного радіометра підвищеної чутливості і точності, наприклад, в медичних технологіях, дозволяє: - досліджувати конфігурацію і структуру електромагнітного каркаса людини та інших живих істот; - фіксувати малі зміни потужності ЕМВ від біологічно активних зон (БАЗ) організму, пов'язаних з різними патологічними процесами; - виявляти електромагнітні аномалії, пов'язані з порушенням потоків енергії по 12 основним меридіанам людського організму; - дозувати інформаційно-хвилеві дії на організм людини по рівню допустимих зовнішніх і власних ЕМВ і їх перерозподілу по траєкторіях меридіанів. 9 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 48614 Підписне 10 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