Модуляційний вимірювач коефіцієнта відбиття

Модуляційний вимірювач коефіцієнта відбиття, що містить надвисокочастотний генератор шуму міліметрового діапазону, з'єднані послідовно спрямований відгалужувач, надвисокочастотний ключ і антена, фільтр нижніх частот, підсилювач змінної напруги, з'єднаний з фазочутливим випрямлячем, низькочастотний генератор та індикатор, який відрізняється тим, що в нього введені додатковий надвисокочастотний ключ, два хвилевідні розгалужувачі, градуйований атенюатор, балансний змішувач, додатковий фільтр нижніх частот, 3 тимчасові затримки в тракті прийому відбитого НВЧ сигналу. Відомий також модуляційний вимірювач коефіцієнта відбиття [див. Патент України №52668, МПК G01R27/06, 2003 p.], що містить надвисокочастотний генератор шуму міліметрового діапазону, з'єднані послідовно спрямований відгалужувач, надвисокочастотний ключ і антена, фільтр нижніх частот, підсилювач змінної напруги з'єднаний з фазочутливим випрямлячем, низькочастотний генератор та індикатор. Крім того, відомий пристрій містить амплітудний модулятор, дільник частоти, амплітудний детектор, перетворювач виходу із під кореня, фільтр верхніх частот, диференціальний підсилювач і джерело опорної напруги. Проте, безпосереднє детектування модульованого надвисокочастотного сигналу не забезпечує високу чутливість до параметрів відбитого від досліджуваного об'єкта сигналу через неможливість попереднього малошумлячого підсилення в діапазоні міліметрових хвиль і ефекту пригнічення корисного сигналу завадою. Неминуча температурна і часова нестабільність підсилювача напруги модульованої частоти, синхронного детектора, диференціального підсилювача і інших перетворюючих ланок не забезпечує високу точність вимірювання коефіцієнта відбиття за показаннями вихідного приладу. До того ж показання вихідного приладу пропорційні не коефіцієнту відбиття, а коефіцієнту стоячої хвилі, що тягне за собою додаткові обчислення. В основу корисної моделі поставлена задача створити такий модуляційний вимірювач коефіцієнта відбиття, в якому введенням нових елементів і зв'язків досягалась би можливість підвищення чутливості і точності вимірювання коефіцієнта відбиття при опроміненні об'єктів низькоінтенсивним електромагнітним опроміненням міліметрового діапазону. Поставлена задача вирішується тим, що в схему модуляційного вимірювача коефіцієнта відбиття, що містить надвисокочастотний генератор шуму міліметрового діапазону, з'єднані послідовно спрямований відгалужувач, надвисокочастотний ключ і антена, фільтр нижніх частот, підсилювач змінної напруги, з'єднаний з фазочутливим випрямлячем, низькочастотний генератор та індикатор, згідно з корисною моделлю, в нього введені додатковий надвисокочастотний ключ, два хвилевідні розгалужувачі, градуйований атенюатор, балансний змішувач, додатковий фільтр нижніх частот, вентиль і дільник потужності, підключений до виходу надвисокочастотного генератора шуму міліметрового діапазону, до одного виходу дільника потужності через вентиль підключений входом спрямований відгалужувач, вихід якого через один хвилевідний розгалужувач з'єднаний з другим надвисокочастотним ключем і градуйованим атенюатором, виходи яких через другий хвилевідний розгалужувач з'єднані з одним входом балансного змішувача, інший вхід якого з'єднаний з другим виходом дільника потужності, вихід балансного змішувача через перший фільтр 63918 4 нижніх частот з'єднаний з входом підсилювача змінної напруги, до виходу фазочутливого випрямляча через додатковий фільтр нижніх частот підключений індикатор, а низькочастотний генератор з'єднаний безпосередньо з керуючими входами надвисокочастотних ключів та керуючим входом фазочутливого випрямляча. Введення в схему запропонованого пристрою додаткового надвисокочастотного ключа, двох хвилевідних розгалужувачів, балансного змішувача, додаткового фільтра нижніх частот, вентиля, градуйованого атенюатора і дільника потужності, з'єднаних вказаним чином, забезпечує можливість прийому відбитого від досліджуваного об'єкта шумового сигналу незалежно від фонового випромінювання об'єкта і шумів самого вимірювача. Змішування в балансному змішувачі прийнятого сигналу з когерентною частиною сигналу генератора шуму забезпечує формування відеоімпульсів з двох когерентних шумових сигналів. Завдяки введеному фільтру нижніх частот з послідовності відеоімпульсів, що надходять з частотою модуляції, виділяється низькочастотна огинаюча напруга, яка після підсилення і фазочутливого випрямлення згладжується другим фільтром нижніх частот і подається на індикатор. Градуйованим атенюатором зменшують рівень опромінюючого шумового сигналу до рівня відбитого, тобто досягнення нульового показу індикатора, що дозволяє по градуйованому атенюатору визначати значення коефіцієнта відбиття з високою чутливістю і точністю. На кресленні представлена функціональна схема модуляційного вимірювача коефіцієнта відбиття. У схемі надвисокочастотний (НВЧ) генератор 1 шуму міліметрового діапазону з'єднаний з входом дільника потужності 2. До одного виходу дільника потужності 2 через вентиль 3 і спрямований відгалужувач 4 підключений НВЧ ключ 5, вихід якого з'єднаний з антеною 6. До виходу спрямованого відгалужувача 4 через хвилевідний розгалужувач 7 підключені градуйований атенюатор 8 і додатковий НВЧ ключ 9. Виходи градуйованого атенюатора 8 і НВЧ ключа 9 через другий хвилевідний розгалужувач 10 з'єднані з одним входом балансного змішувача 11, інший вхід якого з'єднаний з другим виходом дільника потужності 2. До виходу балансного змішувача 11 підключені послідовно з'єднані фільтр 12 нижніх частот, підсилювач 13 змінної напруги, фазочутливий випрямляч 14, додатковий фільтр 15 нижніх частот та індикатор 16. Низькочастотний генератор 17 з'єднаний з паралельно з'єднаними керуючими входами НВЧ ключів 5 і 9, а також з керуючим входом фазочутливого випрямляча 14. Позицією 18 позначений досліджуваний об'єкт. Модуляційний вимірювач коефіцієнта відбиття працює таким чином. Шумовий сигнал НВЧ генератора 1 шуму міліметрового діапазону надходить на вхід дільника потужності 2, де розділяється на дві частини. Одна частина шумового сигналу через вентиль 3 і спрямований відгалужувач 4 надходить на НВЧ ключ 5. У відкритому стані НВЧ ключ 5 5 63918 пропускає шумовий сигнал до антени 6, який опромінює досліджуваний об'єкт 18. У закритому стані шумовий сигнал відбивається повністю від НВЧ ключа 5 і надходить через хвилевідний розгалужувач 7 на градуйований атенюатор 8, який шунтований закритим НВЧ ключем 9. У відкритому стані НВЧ ключів 5 і 9 шумовий сигнал генератора 1 шуму міліметрового діапазону за допомогою антени 6 починає опромінювати досліджуваний об'єкт 18. Відбитий від нього шумовий сигнал через відкритий НВЧ ключ 5 надходить у вихідне плече спрямованого відгалужувача 4 і через відкритий НВЧ ключ 9 впливає на сигнальний вхід балансного змішувача 11. У закритому стані НВЧ ключів 5 і 9 відбитий шумовий сигнал від закритого НВЧ ключа 5 через градуйований атенюатор 8, який шунтований закритим НВЧ ключем 9, також надходить на сигнальний вхід балансного змішувача 11. При періодичній роботі НВЧ ключів 5 і 9, які керуються напругою низькочастотного генератора 17, на сигнальний вхід балансного змішувача 11 по черзі з частотою перемикання НВЧ ключів 5 і 9 надходять шумові радіоімпульси з різними амплітудами в залежності від значення коефіцієнта відбиття. Якщо шумовий сигнал генератора 1 шуму міліметрового діапазону представити у вигляді комплексної амплітуди напруженості електричного  поля  , то в дільнику потужності 2 він розділяється на два шумові сигнали з комплекс      3  1 2  1   4 , (1)  1 - комплексний коефіцієнт пропускання де вентиля 3; 2 комплексний коефіцієнт спрямованого відгалужувача 4;   - комплексний досліджуваного об'єкта 18; пропускання коефіцієнт відбиття      5  1 2 3 1   6 , (2),  де  3 - комплексний коефіцієнт пропускання градуйованого атенюатора 8;       U1  S  3  7  2 ,   (3)      U 2  S  5   7   2 ,   (4),  де S - комплексна крутизна балансного змішувача 11;   7 - комплексна амплітуда напруженості власних шумів балансного змішувача 11; "—" - символ часового усереднення. Підставляючи у вирази (3) і (4) значення (1) і (2), отримуємо:    6 - комплексна амплітуда шумів закритих НВЧ ключів 5 і 9.     U 3  S 1  2  1  2         напруженості (5)   S 4 2  S 7 2 ,     U 4  S 1 2 3 1  2       (6)   S 6  2  S 7  2 . При оцінці значень, що входять у вирази (5) і (6), слід врахувати наступне. Внаслідок некорельованості між собою шумових процесів E2(t),E4(t), E6(t) і E7(t) значення        S  4  2  S  6  2  S  7  2  0. (7)    4 - комплексна амплітуда напруженості шумів антени 6 і хвилевідного приймальновипромінюючого тракту. При закритому стані НВЧ ключів 5 і 9 на сигнальний вхід балансного змішувача 11 впливають радіоімпульси з комплексною амплітудою   комплексної амплітуди  2 . В результаті усереднення фільтром 12 нижніх частот формується часова послідовність відеоімпульсів з амплітудами:    У балансному змішувачі 11 проходить перемноження радіоімпульсів (1) і (2), що випливають з частотою модуляції, з шумовим сигналом   ними амплітудами 1 і  2 . При відкритому стані НВЧ ключів 5 і 9 на сигнальний вхід балансного змішувача 11 впливають радіоімпульси з комплексною амплітудою  6 Шумові сигнали 1 і  2 корельовані між собою, оскільки створені одним джереломгенератором 1 шуму міліметрового діапазону. Тоді, з урахуванням сказаного і рівності (7), амплітуди відеоімпульсів на виході фільтра 12 нижніх частот набудуть значень:         U 5   1 S 1  2  1  2 ,     U 6   1 S 1  2 3 1  2 , (8) (9), де K1 - коефіцієнт передачі фільтра нижніх частот. При нерівності амплітуд відеоімпульсів (8) і (9) в їх послідовності присутні постійна і змінна складові напруги: 7 63918 U7  U5  U6 2 (10) U8  U5 U6 2 (11)  Змінна складова напруги (11) підсилюється підсилювачем 13 змінної напруги і випрямляється фазочутливим випрямлячем 14. Випрямлена напруга згладжується додатковим фільтром 15 нижніх частот і потрапляє на індикатор 16. Якщо підставити у вираз (11) значення напруги U5 і U6 з (8) і (9), то напруга       1 U 9   1 2 3 4  S 1 2  1  2  , 2        S 1 2 3 1  2 (12)   (13)  Усереднене значення коефіцієнта відбиття  означає, що градуйований атенюатором 8 встановлюється відповідність між його послабленням по потужності А і усередненим значенням коефіцієнта відбиття в смузі частот хвилевідної системи модуляційного вимірювача. Атенюатори, зазвичай, градуюються в логарифмічних одиницях (  ), а коефіцієнт відбиття найчастіше виражається у відносних одиницях (відн. од.). Тому середнє значення коефіцієнта відбиття у відносних одиницях згідно з показаннями атенюатора 8     10 , (14) де   = А - коефіцієнт відбиття в логарифмічних одиницях; А - послаблення градуйованого атенюатора 8. З отриманих виразів (13) і (14) виходить, що результат вимірювання коефіцієнта відбиття однозначно визначається послабленням А, що вноситься градуйованим атенюатором 8. Шуми анте впливають на результат вимірювання коефіцієнта відбиття. Не впливає також температурна і часова нестабільність коефіцієнтів пропускання вентиля 3   і спрямованого відгалужувача 4 ( 1 і  2 ), не впливає на результат вимірювання і непостійність потужності НВЧ генератора 1 шуму міліметрового   діапазону ( 1 ), крутизна (S ) балансного змішувача 11, коефіцієнта підсилення K2 підсилювача 13 змінної напруги, коефіцієнта випрямлення K2 фазочутливого випрямляча 14 і коефіцієнтів передач K3 і K4 фільтрів 12 і 15 нижніх частот. Завдяки фазочутливому випрямленню полярність вихідної напруги (12) змінюються за лежно від співвідношення коефіцієнта відбиття  і     3 . (відн.од.)  10  (  7 ), шуми закритих НВЧ ключів 5 і 9 (  6 ) не коефіцієнта пропускання атенюатора  3 . Якщо  де K2- коефіцієнт підсилення підсилювача 13 змінної напруги; K3 - коефіцієнт випрямлення фазочутливого випрямляча 14; K4 - коефіцієнт передачі додаткового фільтра 15 нижніх частот. Регулюють коефіцієнт пропускання градуйованого атенюатора 8, змінюючи його градуйоване послаблення, до досягнення нульового показання індикатора 16. Якщо встановити U9 =0, то з виразу (12) отримаємо:  8 ни 6 (  4 ), власні шуми балансного змішувача 11    0. Якщо  >  3 , то полярність напруги U9