Вузькосмуговий модуляційний радіометр

Реферат: Вузькосмуговий модуляційний радіометр містить послідовно з'єднані приймальну широкосмугову антену, хвилевідний діодний ключ, хвилевідний трійник з поглинальним навантаженням, смуговий фільтр та послідовно з'єднані гетеродин, балансний змішувач, вибірковий підсилювач проміжної частоти, квадратичний детектор, фільтр нижніх частот, вибірковий підсилювач частоти комутації та синхронний детектор. Введені інтегруючий аналогоцифровий перетворювач, мікроконтролер, цифро-аналоговий перетворювач, підсилювач струму, джерело постійного струму, суматор струму, пульт керування та дисплей. UA 70526 U (12) UA 70526 U UA 70526 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до техніки надвисокочастотних вимірювань і може бути використана для спектрального аналізу широкосмугових електромагнітних випромінювань фізичних тіл і біологічних об'єктів. Шумові радіотеплові випромінювання живих організмів та фізичних тіл за температури навколишнього середовища 300-310 K характеризуються широким спектром та надзвичайно -21 -22 малою інтенсивністю випромінювання, спектральна щільність якого може складати 10 -10 2 Вт/(Гц·см ). Вимірювання спектральних складових такої малої потужності можливе із застосуванням вузькосмугової радіометричної апаратури, яка переналагоджується за частотою. Відомий вузькосмуговий модуляційний радіометр (див. Скрипник Ю. А., Яненко А. Ф., Манойлов В. Ф. и др. Микроволновая радиометрия физических тел и биологических объектов. Житомир: Волынь, 2003. - С. 146-154), що має в своєму складі послідовно з'єднані хвилевідний діодний ключ, змішувач, вибірковий підсилювач проміжної частоти, квадратичний детектор, вибірковий підсилювач частоти комутації, синхронний детектор, інтегратор та вольтметр, а також гетеродин, під'єднаний до другого входу змішувача, генератор комутуючої частоти, підключений до керуючих входів діодного ключа і синхронного детектора. В той же час, використання розглянутого технічного рішення не завжди можливе, оскільки при аналізі електромагнітного випромінювання із суцільним спектром в смугу пропускання вузькосмугового модуляційного радіометра потрапляють як власні шуми приймального тракту, так і компоненти частотного перетворення, які надходять по прямому і дзеркальному каналах, що спотворює результати вимірювання. Відомий також вузькосмуговий модуляційний радіометр (див. патент України № 48597, МПК G01R29/08, 2010 p.), що містить послідовно з'єднані приймальну широкосмугову антену, хвилевідний діодний ключ, хвилевідний трійник з поглинальним навантаженням, смуговий фільтр та послідовно з'єднані гетеродин, балансний змішувач, вибірковий підсилювач проміжної частоти, квадратичний детектор, фільтр нижніх частот, вибірковий підсилювач частоти комутації та синхронний детектор. Крім того, пристрій містить генератор комутуючої частоти, з'єднаний з керуючими входами хвилевідного діодного ключа та синхронного детектора, інтегратор і реєструючий вольтметр та стрічкопротяжний механізм, який кінематично зв'язаний з налагоджуваним фільтром та гетеродином. Розглянута схема заглушує сигнали по дзеркальному каналу, чим забезпечується підвищення якості і точності аналізу спектральних складових низькоінтенсивних широкосмугових сигналів. В той же час використання механічного інерційного стрічкопротяжного механізму не забезпечує достатньої швидкості і точності налаштування та заглушення неробочих бокових частот, що знижує точність аналізу особливо швидкоплинних широкосмугових процесів. В основу корисної моделі поставлена задача створити такий вузькосмуговий модуляційний радіометр, в якому введенням нових елементів і зв'язків забезпечилось би збільшення швидкодії та заглушення частот дзеркального каналу, а також підвищення точності аналізу швидкоплинних електромагнітних сигналів в об'єктах дослідження, та забезпечить повну автоматизацію процесів вимірювання. Поставлена задача вирішується тим, що в вузькосмуговий модуляційний радіометр, що містить послідовно з'єднані приймальну широкосмугову антену, хвилевідний діодний ключ, хвилевідний трійник з поглинальним навантаженням, смуговий фільтр та послідовно з'єднані гетеродин, балансний змішувач, вибірковий підсилювач проміжної частоти, квадратичний детектор, фільтр нижніх частот, вибірковий підсилювач частоти комутації та синхронний детектор, згідно з корисною моделлю, в нього введені інтегруючий аналого-цифровий перетворювач, мікроконтролер, цифро-аналоговий перетворювач, підсилювач струму, джерело постійного струму, суматор струму, пульт керування та дисплей, при цьому смуговий фільтр включений між входом хвилевідного трійника і першим входом балансного змішувача, другий вхід якого з'єднаний з виходом гетеродина, вхід мікроконтролера через інтегруючий аналогоцифровий перетворювач підключений до виходу синхронного детектора, перший вихід мікроконтролера підключений до керуючих входів хвилевідного діодного ключа та синхронного детектора, другий вихід через цифро-аналоговий перетворювач та підсилювач струму підключений до керуючого входу гетеродина та першого входу суматора струму, до другого входу якого підключено вихід джерела постійного струму, а вихід суматора струму з'єднано з керуючим входом смугового фільтра, третій вихід мікроконтролера з'єднано з дисплеєм, а четвертий - з пультом керування, при цьому смуговий фільтр та гетеродин виконані електрично керованими. Доцільно, щоб як смуговий фільтр та гетеродин були вибрані феритові сфери із залізоітрієвого гранату, розташовані в зазорі електромагнітів. 1 UA 70526 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 В результаті збільшується швидкодія та відбувається заглушення частот дзеркального каналу, а також підвищується точність аналізу швидкоплинних електромагнітних процесів в об'єктах дослідження та забезпечується повна автоматизація процесів вимірювання. Завдяки введенню нових елементів та зв'язків результат вимірювання не залежить від рівня власних шумів як приймальної широкосмугової антени, так і від радіометричного каналу вузькосмугового модуляційного радіометра. Корисна модель пояснюється кресленнями, де фіг. 1 - функціональна схема, фіг. 2 - епюри сигналів в каналі вузькосмугового модуляційного радіометра. Пристрій містить послідовно з'єднані приймальну широкосмугову антену 1, хвилевідний діодний ключ 2 та хвилевідний трійник 3 з поглинальним навантаженням 4. Вихід хвилевідного трійника 3 через смуговий фільтр 5 підключено до сигнального входу балансного змішувача 6, вихід якого через послідовно з'єднані вибірковий підсилювач 8 проміжної частоти, квадратичний детектор 9, фільтр нижніх частот 10, вибірковий підсилювач частоти комутації 11, синхронний детектор 12 та інтегруючий аналого-цифровий перетворювач 13 підключено до входу мікроконтролера 14, при цьому перший вихід мікроконтролера 14 підключений до керуючого входу хвилевідного діодного ключа 2 і синхронного детектора 12, другий вихід - через цифроаналоговий перетворювач 15 та підсилювач струму 16 підключено до керуючого входу гетеродина 7 та першого входу суматора струму 18, до другого входу якого підключено вихід джерела постійного струму 17. Вихід суматора струму 18 з'єднано з керуючим входом смугового фільтра 5. Третій вихід мікроконтролера 14 з'єднано з дисплеєм 19, а четвертий - з пультом керування 20. Вузькосмуговий модуляційний радіометр працює наступним чином. Широкосмуговий сигнал (фіг. 2, а), спектральну щільність якого необхідно виміряти, через приймальну широкосмугову антену 1 надходить на хвилевідний діодний ключ 2, який періодично перемикається прямокутними імпульсами низької частоти, який генерує мікроконтролер 14. У відкритому стані хвилевідного діодного ключа 2 спектральні компоненти вхідного сигналу та шуми приймальної широкосмугової антени 1 через хвилевідний трійник 3 та смуговий фільтр 5 потрапляють на сигнальний вхід балансного змішувача 6. При цьому поглинальне навантаження 4 з високим опором шунтується низьким опором приймальної широкосмугової антени 1 і шуми поглинального навантаження 4 з високим опором не надходять на балансний змішувач 6. В закритому стані хвилевідного діодного ключа 2 на вхід балансного змішувача 6 надходять тільки шуми поглинального навантаження 4, які шунтувалися приймальною широкосмуговою антеною 1 в першому такті. Смуговий фільтр 5 із суцільного спектра вхідного сигналу (фіг. 2, а) виділяє вузькі ділянки частотного спектра (фіг. 2, б). Резонансна частота ƒ РФ смугового фільтра 5 встановлюється за допомогою вихідного струму суматора струму 18 за наступної процедури. На пульті керування 20 встановлюється необхідне значення смуги вхідного сигналу  ƒ С (фіг. 2, б), яке повинен пропустити смуговий фільтр 5. Мікроконтролер 14 програмно формує цифрові сигнали, які перетворюються цифро-аналоговим перетворювачем 15 в пропорційний струм J1 . Після підсилення струму на виході підсилювача струму 16 отримуємо J2  K1J1 (1) де K 1 - коефіцієнт перетворення підсилювача струму 16. Струм J 2 надходить на керуючі елементи гетеродина 7 та встановлює на його виході частоту ƒ Г (фіг. 2 б, в). Окрім того, струм J 2 подається на перший вхід суматора струму 18, на другий вхід якого подається опорний струм J0 від джерела постійного струму 17. В результаті на виході суматора струму 18 формується струм J3  K1J1  J0 . (2) Співвідношення струмів вибирається таким, щоб задовольняти умовам J3  J2 , а збільшення струму на постійне значення J0 , що призводить до збільшення резонансної частоти смугового фільтра 5 на задане значення ƒРФ  ƒГ  ƒПЧ , (3) де ƒПЧ - центральне значення частоти вибіркового підсилювача 8 проміжної частоти. Напруга смуги частоти сигналу (  ƒ С ), що надходить на вхід балансного змішувача 6, визначається смугою пропускання  ƒ Ф смугового фільтра 5 (фіг. 2, б). Сигнали по дзеркальному каналу  ƒ С (фіг. 2, в) відносно частоти гетеродина 7 затримуються смуговим 2 UA 70526 U фільтром 5 і на балансний змішувач 6 не потрапляють. В результаті на виході балансного змішувача 6 формуються частоти нижньої та верхньої проміжних частот (фіг. 2, г):   ƒ ПЧ   ƒ С  ƒГ , ƒПЧ  ƒС  ƒГ (4) Вибірковим підсилювачем 8 проміжної частоти виділяється різницевий сигнал ƒПЧ , а 5 10 сумарний сигнал  ƒ ПЧ затримується (фіг. 2, д). При періодичній роботі хвилевідного діодного ключа 2 у відкритому стані на виході вибіркового підсилювача 8 проміжної частоти формується сигнал, дисперсію якого можна представити як 2 2 2 U81  S1   Uc  U1  U2,7  ƒ ПЧ (5)  6    де S1 - крутизна гетеродинного перетворення потужності НВЧ в каналі модуляційного радіометра; 2 Uc - дисперсія вхідного сигналу в смузі  ƒ С ; 2 U1 - дисперсія шумів приймальної широкосмугової антени 1; 15 U2,7 - дисперсія шумів балансного змішувача 6 та гетеродина 7. 6 В закритому стані хвилевідного діодного ключа 2 отримуємо 2 U82   S1   U2  U2,7    ƒ ПЧ , (6)  4 6    20 де U2 - дисперсія шумів поглинального навантаження 4. 4 В результаті періодичного відкриття та закриття хвилевідного діодного ключа 2 в часовій послідовності імпульсів з амплітудами (5) і (6) на виході фільтра 10 нижніх частот з'являється змінна складова 25 S1S 2K 1  2 2   Uc  U1  U2   sign sin t   ƒ ПЧ , (7) 4   2 2 де K 1 - коефіцієнт передачі фільтра 10 нижніх частот; S 2 - крутизна перетворення квадратичного детектора 9.  - частота комутації приймальної широкосмугової антени 1. За умови рівності шумів приймальної широкосмугової антени 1 та поглинального U10  S1  S 2  30 35 40 2 2 U81  U82   2 навантаження 4  U1  U2  вираз (7) можна записати у вигляді  4   1 2 U11   S1  S 2  Uc  sign sin t   ƒ ПЧ . (8) 2 Сигнал (8) подається через вибірковий підсилювач частоти комутації 11 на синхронний детектор 12, на другий вхід якого надходить опорний сигнал частоти  від мікроконтролера 14. В результаті синхронного детектування та усереднення інтегруючим аналого-цифровим перетворювачем 13 виділяється постійна складова, яка перетворюється в цифровий код 1 2 N  S1S2S3K1K 2K 3  Uc  ƒПЧ , (9) 2q де S 3 - крутизна перетворення синхронного детектора 12; K 2 - коефіцієнт підсилення вибіркового підсилювача частоти комутації 11; K 3 - коефіцієнт перетворення інтегруючого аналого-цифрового перетворювача 13; q - одиниця молодшого розряду аналого-цифрового перетворювача 13. Остаточно вираз (9) можна записати наступним чином: 1 2 N  S0  Uc  ƒПЧ , (10) 2q де S0  S1S2S3K1K 2K 3 - сумарний коефіцієнт аналогового перетворення сигналу в радіометричному каналі від приймальної широкосмугової антени 1 до входу мікроконтролера 14. 3 UA 70526 U 5 10 15 Частота налагодження смугового фільтра 5 може автоматично змінюватися в межах ƒФmin ƒ Фmax , а вихідна частота гетеродина 7 змінюється при цьому від значення ƒГmin до ƒГmax з постійним зміщенням відносно частоти смугового фільтра 5. Проходження вхідного сигналу забезпечується в заданій смузі аналізу ƒ С  ƒ Ф в межах від ƒСmin до ƒ Сmax з паралельним заглушенням дзеркальної смуги частот  ƒ С . Введення джерела 17 постійного струму та суматора струму 18 забезпечує автоматичне зміщення частоти смугового фільтра 5 по відношенню до частоти гетеродина 7 на постійне значення проміжної частоти ƒПЧ . Таким чином, швидкоплинні зміни потужності вхідного широкосмугового сигналу в режимі безперервного електричного сканування частоти смугового фільтра 5 та гетеродина 7 будуть відображатися на дисплеї 19 у вигляді зміни його дисперсії. Режим сканування та швидкість розгортки кодової посилки задається оператором програмно з пульта керування 20 та мікроконтролером 14. Окрім того, збільшується точність аналізу, оскільки, як випливає з виразу (10), результат вимірювання не залежить від рівня шумів як приймальної широкосмугової антени, так і від радіометричного каналу вузькосмугового модуляційного радіометра. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 30 35 1. Вузькосмуговий модуляційний радіометр, що містить послідовно з'єднані приймальну широкосмугову антену, хвилевідний діодний ключ, хвилевідний трійник з поглинальним навантаженням, смуговий фільтр та послідовно з'єднані гетеродин, балансний змішувач, вибірковий підсилювач проміжної частоти, квадратичний детектор, фільтр нижніх частот, вибірковий підсилювач частоти комутації та синхронний детектор, який відрізняється тим, що в нього введені інтегруючий аналого-цифровий перетворювач, мікроконтролер, цифроаналоговий перетворювач, підсилювач струму, джерело постійного струму, суматор струму, пульт керування та дисплей, при цьому смуговий фільтр включений між входом хвилевідного трійника і першим входом балансного змішувача, другий вхід якого з'єднаний з виходом гетеродина, вхід мікроконтролера через інтегруючий аналого-цифровий перетворювач підключений до виходу синхронного детектора, перший вихід мікроконтролера підключений до керуючих входів хвилевідного діодного ключа та синхронного детектора, другий вихід через цифро-аналоговий перетворювач та підсилювач струму підключений до керуючого входу гетеродина та першого входу суматора струму, до другого входу якого підключено вихід джерела постійного струму, а вихід суматора струму з'єднано з керуючим входом смугового фільтра, третій вихід мікроконтролера з'єднано з дисплеєм, а четвертий - з пультом керування, при цьому смуговий фільтр та гетеродин виконані електрично керованими. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що як електрично керовані смуговий фільтр та гетеродин вибрані феритові сфери із залізоітрієвого гранату, розташовані в зазорі електромагнітів. 4 UA 70526 U 5 UA 70526 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський 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 6