Модуляційний надвисокочастотний спектроаналізатор

Реферат: UA 80837 U UA 80837 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до техніки надвисокочастотних вимірювань і може бути застосована для спектрального аналізу низькоінтенсивних електромагнітних коливань надвисоких частот. В області надвисоких частот (НВЧ) аналіз спектра електромагнітних коливань низької інтенсивності, яка одного порядку з інтенсивністю власних шумів НВЧ елементів, здійснюють за допомогою модуляційного НВЧ спектроаналізатора. Відомий модуляційний НВЧ спектроаналізатор [А. С. СРСР № 1553924, МПК G01R 29/08, 1984 p.], що містить змішувач з переналаштовуваним НВЧ гетеродином і вузькосмуговий підсилювач проміжної частоти. Наявність цих елементів забезпечує виділення з НВЧ сигналу вузької смуги частот, яка переноситься на проміжну відносно низьку частоту, на якій здійснюється безпосередній аналіз. Однак, при аналізі НВЧ сигналів з суцільними спектрами виникають великі похибки через потрапляння в смугу пропускання гетеродинного перетворювача частоти дзеркальних складових аналізованого спектра. Так, якщо частота гетеродина fг налаштовується на складові спектра сигналу fc вищі за частоту гетеродина (fc>fг), то всі складові спектра fс менші за частоту гетеродина утворюють спектр дзеркальних перешкод, що потрапляють у смугу прийому модуляційного НВЧ спектроаналізатора. Тому звуженням смуги пропускання підсилювача проміжної частоти неможливо придушити дзеркальні перешкоди, які викривляють результати спектрального аналізу. Відомий модуляційний НВЧ спектроаналізатор [Патент України № 47460, МПК G01R 29/08, 2002 р.], в якому підсилювально-перетворювальний тракт доповнений диференціальними підсилювачами, джерелом опорних напруг і інтегратором, підключеним до керуючого входу підсилювача проміжної частоти. Опорні напруги вибирають таким чином, щоб компенсувати перешкоди на виходах диференціальних підсилювачів. В результаті автоматичного підлаштування коефіцієнта підсилення підсилювача проміжної частоти здійснюється компенсація перешкод і в основному підсилювально-перетворювальному тракті. Однак, повну компенсацію дзеркальних перешкод можна здійснити тільки при постійному рівні перешкод. Тому при аналізі реальних спектрів, наприклад НВЧ випромінювань біологічних і багатьох фізичних об'єктів, спектри яких нерівномірні, виникають великі похибки від змінного рівня дзеркальних перешкод. Відомий також модуляційний НВЧ спектроаналізатор [Патент України № 48597, МПК G01R 29/08, 2010 p.], що містить прийомну широкосмугову антену, з'єднану з одним входом хвилeводного перемикача, інший вхід якого з'єднаний з кінцевим хвилеводним навантаженням еквівалентним прийомній широкосмуговій антені, балансний змішувач, до керуючого входу якого підключений надвисокочастотний гетеродин, послідовно з'єднані вузькосмуговий підсилювач проміжної частоти, квадратичний детектор, вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор, інтегратор і самопишучий вольтметр зі стрічкопротяжним механізмом, генератор низької частоти, з'єднаний з керуючими входами хвилeводного перемикача і синхронного детектора. Крім цього він включає переналаштовуваний НВЧ резонатор, переналаштовуваний НВЧ гетеродин, кінематично з'єднаний з НВЧ резонатором, відрізок хвилеводу з кінцевим навантаженням і петлю зв'язку з входом балансного змішувача. Завдяки НВЧ резонатора з спектра прийнятого сигналу виділяється вузька смуга частот, яка піддається гетеродинному перетворенню частоти без впливу дзеркальних складових. Однак, необхідність синхронного переналаштування двох НВЧ елементів (вхідного фільтра і резонатора гетеродина) в діапазоні частот пов'язана з певними технічними складнощами. Найбільш складно забезпечити постійність різниці частот налаштування НВЧ резонатора фільтра і НВЧ резонатора у складі гетеродина. Невеликі відхилення у частоті налаштування НВЧ елементів викликають великі зміни резонансної частоти, яка повинна залишатися постійною і відповідати фіксованій частоті налаштування вузькосмугового підсилювача проміжної частоти. Тому відомому спектроаналізатору властиві великі похибки при аналізі широкосмугових випромінювань. Особливо це стосується електромагнітних випромінювань шумового характеру, які мають низькоінтенсивний суцільний спектр, що охоплює міліметровий діапазон довжин хвилі і вище. В основу корисної моделі поставлена задача створити такий модуляційний надвисокочастотний спектроаналізатор, в якому введенням нових елементів і зв'язків забезпечилось би підвищення точності і роздільної здатності спектрального аналізу. Поставлена задача вирішується тим, що в модуляційний НВЧ спектроаналізатор, що містить прийомну широкосмугову антену, з'єднану з одним входом хвилеводного перемикача, інший вхід якого з'єднаний з кінцевим хвилеводним навантаженням еквівалентним прийомній широкосмуговій антені, балансний змішувач, до керуючого входу якого підключений надвисокочастотний гетеродин, послідовно з'єднані вузькосмуговий підсилювач проміжної 1 UA 80837 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 частоти, квадратичний детектор, вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор, інтегратор і самопишучий вольтметр зі стрічкопротяжним механізмом, генератор низької частоти, з'єднаний з керуючими входами хвилеводного перемикача і синхронного детектора, згідно з корисною моделлю, введені хвилеводний фільтр верхніх частот, широкосмуговий фільтр нижніх частот, додатковий балансний змішувач і додатковий гетеродин з переналаштовуваним по частоті елементом, при цьому хвилеводний фільтр верхніх частот включений між виходом хвилеводного перемикача і сигнальним входом балансного змішувача, вихід якого через широкосмуговий фільтр нижніх частот з'єднаний з сигнальним входом додаткового балансного змішувача, до керуючого входу якого підключений додатковий гетеродин, переналаштовуваний по частоті елемент якого кінематично з'єднаний зі стрічкопротяжним механізмом самопишучого вольтметра, а вихід додаткового балансного змішувача з'єднаний з входом вузькосмугового підсилювача проміжної частоти. Введення у схему модуляційного НВЧ спектроаналізатора хвилеводного фільтра верхніх частот, широкосмугового фільтра нижніх частот, додаткового балансного змішувача і додаткового гетеродина, включених вказаним чином, дозволяє перенести компоненти НВЧ спектра прийнятого антеною випромінювання на низьку різницеву (проміжну) частоту без переналаштування частоти налаштовуваних НВЧ елементів. Так, хвилеводний фільтр верхніх частот сумісно з НВЧ гетеродином, налаштованим на одну фіксовану частоту, забезпечує перенос спектра НВЧ коливань на більш низькі різницеві частоти. Додатковий гетеродин, який працює в діапазоні різницевих частот, спільно з додатковим балансним змішувачем, забезпечує перенос спектра різницевих частот на ще більш низьку фіксовану проміжну частоту, на якій здійснюється вимірювання потужності спектральних складових. Автоматичне переналаштування частоти додаткового гетеродина стрічкопротяжним механізмом самопишучого вольтметра дає змогу автоматично реєструвати всі спектральні складові, виділені хвилеводним фільтром верхніх частот, що дозволяє визначити форму огинаючої неперервного спектра і виміряти потужність окремих складових спектра. Виключення впливу дзеркальних перешкод і власних шумів НВЧ елементів забезпечує підвищення точності спектрального аналізу низькоінтенсивних НВЧ випромінювань. На кресленні представлена електрична функціональна схема модуляційного надвисокочастотного спектроаналізатора, який містить прийомну широкосмугову антену 1, з'єднану з одним з входів хвилеводного перемикача 2, інший вхід якого з'єднаний з еквівалентним опором 3 у вигляді кінцевого хвилеводного навантаження. Генератор низької частоти 4 з'єднаний з керуючим входом хвилеводного перемикача 2, до виходу якого через хвилеводний фільтр верхніх частот 5 підключений сигнальним входом балансний змішувач 6, до керуючого входу якого підключений НВЧ гетеродин 7. Вихід балансного змішувача 6 через широкосмуговий фільтр нижніх частот 8 з'єднаний з сигнальним входом додаткового балансного змішувача 9, до керуючого входу якого підключений додатковий гетеродин 10. До виходу додаткового балансного змішувача 9 підключені послідовно з'єднані вузькосмуговий підсилювач проміжної частоти 11, квадратичний детектор 12, вибірковий підсилювач низької частоти 13, синхронний детектор 14, інтегратор 15 і самопишучий вольтметр 16. Керуючий вхід синхронного детектора 14 також підключений до виходу генератора низької частоти 4. На кресленні пунктирною лінією показаний кінематичний зв'язок стрічкопротяжного механізму самопишучого вольтметра 14 і переналаштовуваного елемента додаткового гетеродина 10. Умовними позначеннями показані елементи хвилеводного тракту та елементи коаксіального тракту. Модуляційний НВЧ спектроаналізатор працює наступним чином. Досліджуване електромагнітне випромінювання (ЕМВ) приймається широкосмуговою антеною 1 і разом з її шумами перетворюється у широкосмуговий НВЧ сигнал, який надходить на один вхід хвилеводного перемикача 2. До другого входу хвилеводного перемикача 2 підключене кінцеве хвилеводне навантаження 3, яке генерує шумовий сигнал за інтенсивністю еквівалентний шумам широкосмугової антени 1. Хвилеводний перемикач 2 керується прямокутною напругою генератора низької частоти 4. При періодичних переключеннях хвилеводного перемикача 2 на хвилеводний фільтр верхніх частот 5 почергово діють пакети НВЧ сигналів широкосмугової антени 1 з її шумами і шумовий НВЧ сигнал кінцевого навантаження 3. З НВЧ сигналів, що надходять, хвилеводним фільтром верхніх частот 5 пропускаються складові спектрів обох сигналів від частоти зрізу fзр1 хвилеводного фільтра верхніх частот до його критичної частоти fкр, яка визначається розмірами перерізу хвилевода. НВЧ коливання, що пройшли через хвилеводний фільтр верхніх частот 5, змішуються у балансному змішувачі 6 з монохроматичними коливаннями НВЧ гетеродина 7, який 2 UA 80837 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 налаштований на фіксовану частоту fг1, рівну частоті зрізу хвилеводного фільтра верхніх частот (fr1=fсp1). В результаті змішування НВЧ коливань утворюються коливання різницевої частоти, які виділяються широкосмуговим фільтром нижніх частот 8 і являють собою першу проміжну частоту fпр1. Спектр коливань проміжних (різницевих) частот охоплює область від мінімальної частоти, що виділяється (fзp1-fг1), до максимальної частоти (fкp-fг1). Відповідно до цього, частота зрізу fзp2 широкосмугового фільтра нижніх частот 8 вибирається рівною максимальному значенню першої проміжної частоти (fзр2=fкр-fг1). Коливання сумарної частоти, які також утворюються в балансному змішувачі 6 придушуються широкосмуговим фільтром нижніх частот 8 і не впливають на подальші перетворювальні процеси. Пониження частоти аналізованої ділянки спектра НВЧ коливань до першої проміжної (різницевої) частоти дозволяє перейти від хвилеводного тракту до коаксіального, що спрощує подальшу обробку багаточастотного сигналу. Оскільки через хвилеводний фільтр верхніх частот 5 не проходять спектральні складові з частотами, меншими за частоту надвисокочастотного гетеродина (fсfпр1), то і при повторному гетеродинному перетворенні частоти дзеркальні перешкоди від неперервності спектра різницевих частот не виникають. Підсилена напруга другої проміжної частоти детектується квадратичним детектором 12. В результаті квадратичного перетворення утворюється постійна складова напруги, пропорційна спектральній щільності потужності шумового сигналу, виділеного вузькосмуговим підсилювачем проміжної частоти 11. При періодичній роботі хвилеводного перемикача 2 на виході квадратичного детектора 12 формуються імпульси напруги, які при одному положенні перемикача пропорційні потужності виділеної спектральної складової аналізованого ЕМВ і шумам НВЧ тракту, а при іншому положенні перемикача - тільки власним шумам НВЧ тракту з прийомною широкосмуговою антеною 1. Змінна складова напруги послідовності імпульсів пропорційна тільки спектральній щільності потужності виділеної ділянки спектра аналізованого ЕМВ без накладання власних шумів і дзеркальних перешкод спектроаналізатора. Змінна складова напруги підсилюється вибірковим підсилювачем низької частоти 13, що налаштований на частоту генератора низької частоти 4, який керує роботою хвилеводного перемикача 2. Підсилена напруга випрямляється синхронним детектором 14, який також керується генератором 7. Випрямлена напруга згладжується інтегратором 15, вихідна напруга якого вимірюється і реєструється самопишучим вольтметром 16. Стрічкопротяжний механізм самопишучого вольтметра 16 кінематично зв'язаний з переналаштовуваним елементом (змінним конденсатором) додаткового гетеродина 10. Тому в процесі вимірювання і реєстрації результатів аналізу автоматично змінюється частота другого відносно низькочастотного гетеродина 10. При нульових показах самопишучого вольтметра 16 частота гетеродина встановлюється рівною частоті зрізу fзр2 широкосмугового фільтра нижніх частот 8. При цьому в смугу пропускання вузькосмугового підсилювача проміжної частоти 11 потрапляють найбільш низькочастотні складові з спектра різницевих частот, які утворюються в балансному змішувачі 6. Ці складові відповідають початковій ділянці спектра частот, що виділяється хвилеводним фільтром верхніх частот 5. По мірі протягування стрічки механізмом самопишучого вольтметра 16 збільшується частота додаткового гетеродина 10 і відбувається виділення більшвисоких частот з спектра різницевих частот в смузі пропускання широкосмугового фільтра нижніх частот 8 і відповідно більш високих частот в спектрі НВЧ коливань, що виділяються хвилеводним 3 UA 80837 U 5 10 15 20 25 30 фільтром верхніх частот 5. Значення потужності спектральних складових, що виділяються, після квадратичного перетворення у детекторі 12 і наступного підсилення і випрямлення в блоках 1315 записується на стрічці самопишучого вольтметра 16. В результаті збільшення частоти додаткового гетеродина 10 до подвоєного значення частоти зрізу 2fзр2, а відповідно, і до подвоєного значення частоти налаштування вузькосмугового підсилювача проміжної частоти 11, здійснюється послідовне виділення і реєстрація всіх спектральних складових НВЧ сигналу, що пройшли хвилеводний фільтр верхніх частот 5. При цьому не потрібно переналаштовувати частоти елементів НВЧ тракту (фільтрів 5 і 8 та НВЧ гетеродина 7). Для здійснення аналізу потрібне тільки переналаштування частоти другого більш низькочастотного гетеродина 10. Таким чином, в порівнянні з найближчим аналогом, в якому для спектрального аналізу в смузі частот необхідно переналаштовувати два НВЧ елементи (смуговий НВЧ фільтр та НВЧ резонатор гетеродина), причому при переналаштуванні вимагається збереження постійності різниці між частотами налаштування фільтра та гетеродина, в запропонованому спектроаналізаторі переналаштовується тільки один низькочастотний гетеродин без жорстких вимог до стабільності частоти. По записаній на стрічці кривій можна судити про форму огинаючої спектра, а відповідно, про нерівномірність спектра ЕМВ, прийнятого антеною. По ординатах записаної кривої можна оцінювати спектральну щільність потужності на окремих ділянках спектра. В цілому спектральний аналіз здійснюється автоматично без участі оператора, з високою точністю. Запропонований модуляційний НВЧ спектроаналізатор може бути застосований: - для аналізу радіотеплових випромінювань з суцільним спектром, оцінки інтенсивності випромінювання на різних ділянках спектра; - в дефектоскопії для визначення порушень у структурі деталей з діелектричних матеріалів, що мають великі власні ЕМВ; - в системах визначення деталей з непровідних матеріалів, наприклад, кераміки на нейтральному чи провідному фоні; - в біології та медицині для аналізу структури випромінювань живих організмів в міліметровому діапазоні довжин хвиль; - при дослідженні космічних ЕМВ з широким спектром випромінювання і малою інтенсивністю. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 45 50 Модуляційний надвисокочастотний спектроаналізатор, що містить прийомну широкосмугову антену, з'єднану з одним входом хвилеводного перемикача, інший вхід якого з'єднаний з кінцевим хвилеводним навантаженням еквівалентним прийомній широкосмуговій антені, балансний змішувач, до керуючого входу якого підключений надвисокочастотний гетеродин, послідовно з'єднані вузькосмуговий підсилювач проміжної частоти, квадратичний детектор, вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор, інтегратор і самопишучий вольтметр зі стрічкопротяжним механізмом, генератор низької частоти, з'єднаний з керуючими входами хвилеводного перемикача і синхронного детектора, який відрізняється тим, що в нього додатково введені хвилеводний фільтр верхніх частот, широкосмуговий фільтр нижніх частот, додатковий балансний змішувач і додатковий гетеродин з переналаштовуваним по частоті елементом, при цьому хвилеводний фільтр верхніх частот включений між виходом хвилеводного перемикача і сигнальним входом балансного змішувача, вихід якого через широкосмуговий фільтр нижніх частот з'єднаний з сигнальним входом додаткового балансного змішувача, до керуючого входу якого підключений додатковий гетеродин, переналаштовуваний по частоті елемент якого кінематично з'єднаний зі стрічкопротяжним механізмом самопишучого вольтметра, а вихід додаткового балансного змішувача з'єднаний з входом вузькосмугового підсилювача проміжної частоти. 4 UA 80837 U Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5