Двоканальний супергетеродинний радіометр

1 Двоканальний супергетеродинний радіометр, що містить у собі антену, еквівалент антени, два приймальних канали, кожний з яких включає послідовно з'єднані змішувач і підсилювач проміжної частоти, спільний гетеродин, автоматичний перемикач, генератор низької частоти і послідовно з'єднані вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор, фільтр нижніх частот та реєстратор, при цьому входи керування синхронного детектора та автоматичного перемикача під'єднані до виходу генератора низької частоти, який відрізняється тим, що в нього введено два подвійних хвилевідних Винахід відноситься до радіовимірювальної техніки і може бути використаний для вимірювання рівня електромагнітного випромінювання об'єктів живої і неживої природи у діапазоні надзвичайно високих частот (НЗВЧ - ЗО ЗООГГц) в технологіях квантової медицини, експериментальній фізиці і біологи Супергетеродинний прийом радютеплового і бюшформаційного випромінювань організму людини, тварин, рослин та інших об'єктів, в яких поряд з рівноважним випромінюванням виявляється і нерівноважна компонента електромагнітного випромінювання, що дозволяє значно підвищити чутливість радіометрів без використання вхідних малошумових підсилювачів НЗВЧ, процес створення яких надзвичайно складний Оскільки вхідний сигнал радіометра має широкий спектр, який принципово мало відрізняється від спектрів влас тршники, при цьому входи першого з єднані з антеною та ВІДПОВІДНО еквівалентом антени, виходи з входами змішувачів першого і другого приймальних каналів, входи другого подвійного хвилевідного трійника з'єднані із спільним гетеродином та ВІДПОВІДНО узгодженим навантаженням, виходи - з другими входами змішувачів приймальних каналів, послідовно з'єднані балансний змішувач та фільтр верхніх частот, вихід якого під'єднано до входу вибіркового підсилювача низької частоти, перший вхід балансного змішувача сполучено із виходом підсилювача проміжної частоти першого приймального каналу, а другий вхід - з виходом автоматичного перемикача, входи якого з'єднані з прямим та інверсним виходами підсилювача проміжної частоти другого приймального каналу 2 Двоканальний супергетеродинний радіометр за п 1, який відрізняється тим, що в нього додатково введені послідовно з'єднані регулюючий атенюатор та трипозиційний комутатор, один вихід якого сполучено з одним входом автоматичного перемикача, а другий - з резистором навантаження, третій вихід під'єднаний до другого входу автоматичного перемикача, а вхід регулюючого атенюатора з'єднаний з виходом підсилювача проміжної частоти першого приймального каналу них шумових сигналів вхідних елементів радіометра (змішувачів, гетеродина та ш), то виникає необхідність розмежування корисного шумового сигналу, який приймається антеною, і апаратурних шумів Найпростіше це завдання вирішується у двоканальних супергетеродинних радіометрах, які складаються з двох однакових каналів із змішувачами та спільним гетеродином Вимірювальна схема будується таким чином, щоб ПОСТІЙНІ складові струмів або напруг, зумовлених власними шумами, на виходах каналів віднімалися, а корисні сигнали - додавалися Відомий двоканальний супергетеродинний радіометр (див Batchelor R A , Brooks J W , Cooper B F , YEEE Trahs AP-16, №2, March, 1968, P 7 5 ) , який містить вхідне гібридне з'єднання, входами сполучене з антеною і еквівалентом антени, до виходу якого під'єднано два канала із послідовно О о о> 1^ со ю 53790 з єднаних змішувачів, підсилювачів проміжної частоти та спільного гетеродина, сполученого з другими входами змішувачів каналів, вихідне гібридне з'єднання, входами з'єднане з виходами підсилювачів проміжної частоти, а виходами (через квадратичні детектори) — з підсилювачем постійного струму, до виходу якого через вихідний фільтр під'єднано реєстратор Однак через неідентичні характеристики двох каналів та двох квадратичних детекторів повна компенсація власних шумів каналів не досягається, що зумовлює додаткові похибки у вимірюванні рівня прийнятого антеною сигналу та погіршує флуктуаційний поріг чутливості радіометра Відомий двоканальний супергетеродинний радіометр (див Ustupm obvody mikrovolneho radiometru pro pasmo 11GH2 Endal Jin "Slaboproudy obr", 1986, 47, №4, P 173-178, чеш , рез рос , HIM , англ , фр), який побудований за схемою двоканального супергетеродинного приймача, на який надходить шумовий сигнал, що поступає від параболічної антени через рупор з горизонтальною поляризацією і вводиться на НВЧ-перемикач вхідного тракту Радіометр також включає ІНШІ елементи вхідного тракту феритовий вентиль, фільтр на двох циліндричних об'ємних резонаторах, атенюатор, навантаження Як змішувач використані дводюдні або балансні схеми у різних варіантах включення Гетеродин побудований на ДІОДІ Ганна Несиметричність плечей НВЧ-перемикача та неповна їх розв'язка спричиняє до виникнення паразитного сигналу на виході радіометра, що знижує його точність та чутливість У діапазоні НЗВЧ (діапазон мм-хвиль) ця похибка збільшується, оскільки із зростанням частоти сигналу розв'язка плечей перемикача внаслідок наявності паразитних ємностей знижується Відомий також двоканальний супергетеродинний радіометр (див Есепкіна Н А , Корольков Д В , Парийский Ю Я Радиотелескопы и радиометры М Наука - 1973 - С 257-258 ), який містить антену, еквівалент антени, два приймальних канали, кожний з яких включає послідовно з'єднані змішувач і підсилювач проміжної частоти, спільний гетеродин, автоматичний перемикач, генератор низької частоти і послідовно з'єднані вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор, фільтр нижніх частот та реєстратор При цьому входи керування синхронного детектора та автоматичного перемикача під'єднані до виходу генератора низької частоти Крім того, відомий радіометр містить у собі два квадратичних детектори і другий автоматичний перемикач, входи якого з'єднані з протилежними входами першого перемикача, а виходи автоматичних перемикачів — із змішувачами приймальних каналів Загальні входи автоматичних перемикачів з'єднані з антеною та ВІДПОВІДНО з еквівалентом антени Виходи приймальних каналів через квадратичні детектори увімкнені зустрічно на первинну обмотку трансформатора, вторинна обмотка якого під'єднана до входу вибіркового підсилювача низької частоти Завдяки перемиканню антени та и еквівалента відносно входів приймальних каналів складові власних шумів каналів віднімаються, а складові шуму, прийнятого антеною, додаються, що і за безпечує вимірювання вхідного сигналу на фоні переважаючих шумів приймачів Однак незадовільна розв'язка каналів радіометра через паразитні зв'язки між плечами автоматичних перемикачів у діапазоні НЗВЧ, та неминуча нерівність коефіцієнтів передач відкритих плечей автоматичних перемикачів, а також конструктивні і технологічні проблеми у створенні швидкодіючих перемикачів для верхнього діапазону мм-хвиль електромагнітного випромінювання спричиняють зниження чутливості двоканальних радіометрів, збільшують їх флуктуаційний поріг та похибки внаслідок зміщення і дрейфу нуля Завданням винаходу є створення такого двоканального супергетеродинного радіометра, у якому введення нових елементів та зв'язків забезпечило б пригнічення впливу власних апаратурних шумів без перемикання слабких сигналів безпосередньо на виході антени, та зниження вимог до розв'язки і симетрії плечей автоматичного перемикача, зменшило б частоту перемикаючих сигналів і тим самим розширило б частотний діапазон сигналів, що приймаються антеною, підвищило б чутливість та точність вимірювання рівня електромагнітного випромінювання об'єктів живої і неживої природи на верхньому діапазоні мм-хвиль Поставлене завдання вирішується завдяки тому, що у двоканальний супергетеродинний радіометр, що містить у собі антену, еквівалент антени, два приймальних канали, кожний з яких включає послідовно з'єднані змішувач і підсилювач проміжної частоти, спільний гетеродин, автоматичний перемикач, генератор низької частоти і послідовно з'єднані вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор, фільтр нижніх частот та реєстратор, при цьому входи керування синхронного детектора та автоматичного перемикача під'єднані до виходу генератора низької частоти, згідно з винаходом введені два подвійних хвилевідних трійники входи першого з'єднані з антеною та ВІДПОВІДНО еквівалентом антени, виходи - з входами змішувачів та першого і другого приймальних каналів, входи другого подвійного хвилевідного трійника з'єднані із спільним гетеродином та ВІДПОВІДНО узгодженим навантаженням, виходи - з другими входами змішувачів приймальних каналів, послідовно з'єднані балансний змішувач та фільтр верхніх частот, вихід якого під'єднано до входу вибіркового підсилювача низької частоти, перший вхід балансного змішувача сполучено із виходом підсилювача проміжної частоти першого приймального каналу, а другий вхід - з виходом автоматичного перемикача, входи якого з'єднані з прямим та інверсним виходами підсилювача проміжної частоти другого приймального каналуЗавдання вирішується також завдяки тому, що у двоканальний супергетеродинний радіометр згідно з винаходом додатково введені послідовно з'єднані регулюючий атенюатор та трипозиційний комутатор, один вихід якого сполучено з одним входом автоматичного перемикача, а другий - з резистором навантаження, третій вихід під'єднаний до другого входу автоматичного перемикача, а вхід регулюючого атенюатора з'єднаний з виходом підсилювача проміжної частоти першого прийма 53790 льного каналу Саме введення у схему двоканального супергетеродинного радіометра двох подвійних хвилевідних трійників, балансного змішувача з фільтром верхніх частот, регулюючого атенюатора з трипозиційним комутатором, з'єднаних з автоматичним перемикачем та другими елементами, забезпечує виділення корисного сигналу від антени на фоні власних шумів приймальних каналів у вигляді регулярного сигналу низької частоти перемикань При цьому перемикання сигналів здійснюється у тракті проміжної частоти, а похибка від корельованих шумів пригнічується за допомогою регулюючого атенюатора та ВІДПОВІДНОГО включення трипозиційного комутатора по відношенню до входів автоматичного перемикача Це дає можливість знизити вимоги до розв'язки та симетрії плечей автоматичного перемикача, зменшити частоту сигналів, які перемикаються, і тим самим розширити частотний діапазон сигналів, що надходять в антену, підвищити чутливість та точність вимірювання рівня електромагнітного випромінювання об'єктів живої та неживої природи, особливо у короткохвильовій частині міліметрового діапазону На рисунку наведена функціональна схема двоканального супергетеродинного радіометра Радіометр містить в собі антену 1, під'єднану до одного із входів подвійного хвилевідного трійника 2, до другого входу якого під'єднаний еквівалент антени 3 Один вихід трійника з'єднаний зі змішувачем 4, другий вхід - із змішувачем 5, до виходів яких під'єднані підсилювачі 6 і 7 проміжної частоти Спільний гетеродин 8 з'єднаний з одним входом подвійного хвилевідного трійника 9, до другого входу якого під'єднане узгоджене навантаження 10 Виходи подвійного хвилеводного трійника з'єднані з другими входами змішувачів 4 і 5 До виходу підсилювача 6 проміжної частоти під'єднані послідовно з'єднані балансний змішувач 11, фільтр 12 верхніх частот, вибірковий підсилювач 13 низької частоти, синхронний детектор І 4, фільтр нижніх частот 15 та реєстратор 16 Генератор 17 низької частоти з'єднаний з входами керування синхронного детектора 14 та автоматичного перемикача 18, входи якого з'єднані з прямим та інверсним виходом підсилювача 7 проміжної частоти, а вихід - з другим входом балансного змішувача 11 До виходу підсилювача 6 проміжної частоти під'єднані послідовно з'єднані регулюючий атенюатор 19татрипозиційний комутатор 20, один вихід якого з'єднаний з одним входом автоматичного перемикача 18, другий вихід - з навантажуючим реєстратором навантаження 20, а третій вихід - з другим входом автоматичного перемикача 18 Двоканальний супергетеродинний радиометр працює таким чином Прийнятий антеною 1 сигнал Ui(t) має широкий спектр, який можна представити у вигляді комплексної величини О-і, чиї модуль та аргумент змінюються за випадковим законом Оскільки навантаженням подвійного хвилеводного трійника 2 є еквівалент антени 3, то на виходах подвійного трійника формуються два однакових комплексних сигнали з протилежним знаком U2=Ui і 0з=-йі Сигнали ІЬ і 0з надходять на входи змішувачів 4 і 5 приймачів, на другі входи яких надходить сигнал спільного гетеродина 8 через плечі подвійного хвилевідного трійника 9 Інтенсивності вхідних сигналів змішувачів 4 і 5 однакові і можуть бути представлені у вигляді 1 1 х 1 1 2 2 (1) де Si - чутливість антени, Тх - температура об'єкта випромінювання, Afi - смуга частот, які приймаються, Кі - коефіцієнт, який визначається константами електромагнітного випромінювання об'єкта Шуми двоканального супергетеродинного приймача визначаються шумами змішувачів, гетеродина та підсилювачів проміжної частоти, що надходять до входів приймача, тобто до входів змішувачів 4 і 5 Інтенсивність шумів на входах змішувачів визначається шумовими властивостями приймача U42=O52=k(F-i)T0Af2(2) де k - постійна Больцмана, F - коефіцієнт шуму приймача, То - температура навколишнього середовища (Т0=293К), Af2 - смуга пропускання підсилювачів проміжної частоти У радіометрі сигнал, що приймається, є одного порядку з власними шумами приймача Тому сигнали на входах змішувачів можна представити як суму комплексних величин U4=1/2Ui+U4, (3) U5=-1/2Ui+U5l (4) Сигнал 0і приймається як через основний так і дзеркальний канали приймача, радіометра і є рівноправними Тому сигнали на виходах підсилювачів 6 і 7 проміжної частоти можна представити таким чином U6=2S4K6(1/2U1+U4)U8 U 7 =2S 5 K 7 (-1/2U 1 + (5) U 5 )(-U 8 )= f6 = 2S 5 K 7 (1/2U 1 -U 5 )j 8 де S 4 і Ss - крутизна перетворення змішувачів 4 і 5, і «7 - коефіцієнти підсилення підсилювачів 6 і 7, Us - комплексна напруга гетеродина На виході підсилювача 7 проміжної частоти (на його інверсному виході) формується сигнал U9=-U7=2S5K7(-1/2U1+U5)j8 (у) Керування автоматичного перемикача 18 здійснюється прямокутною напругою генератора 17 низької частоти Fn Тому за одного положення перемикача на його вихід проходить сигнал LJ7, за іншого сигнал Од При цьому комутатор 20 встановлений у середнє положення, а його вихід з'єднаний з навантаженням 21 В умовах безперервної роботи перемикача з частотою Fn на його виході формуються пакети шумових сигналів тривалістю (1/Fn) в на півперюд комутації ( п ю =2S 5 K 7 (-1/2U 1 +U 5 )J8, 7((9) 1/2Fn