Спосіб вимірювання спектра низькоінтенсивного електромагнітного випромінювання

Реферат: Спосіб вимірювання спектра низькоінтенсивного електромагнітного випромінювання у якому із надвисокочастотних сигналів антени і її еквівалента почергово з низькою частотою виділяють широкосмугові ділянки спектрів фільтром верхніх частот, які змішують з монохроматичними коливаннями надвисокочастотного гетеродина. Із змішаних коливань виділяють широку смугу різницевих частот фільтром нижніх частот та визначають спектральну щільність потужності. Додатково змішують почергово виділені коливання різницевих частот з монохроматичними коливаннями додаткового високочастотного гетеродина, частоту якого послідовно змінюють від частоти зрізу фільтра нижніх частот до її подвоєного значення, із змішаних коливань виділяють сигнали фіксованої проміжної частоти вибірковим підсилювачем, налаштованим на частоту зрізу фільтра нижніх частот. Почергово квадратують виділені сигнали фіксованої проміжної частоти і з їх часової послідовності виділяють змінну складову напруги низької частоти переключення надвисокочастотних сигналів. UA 83432 U (12) UA 83432 U UA 83432 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області надвисокочастотних вимірювань і може бути використана для дослідження розподілу спектральної щільності потужності електромагнітних випромінювань із суцільним спектром. Аналіз надвисокочастотних (НВЧ) електромагнітних випромінювань, прийнятих антеною, звичайно виконують шляхом змішування прийнятих коливань з монохроматичними коливаннями НВЧ гетеродина, частота якого переналаштовується в діапазоні виділених спектральних складових [Суслов А.И. Перспективы использования на судах радиотеплолокаторов в современных условиях судоходства // Вестник МГТУ. - Т. 12, № 2. 2005. - С. 239-249]. Однак, при аналізі НВЧ сигналів з суцільним спектром виникають великі похибки від дзеркальних перешкод, які виникають із-за потрапляння в смугу пропускання тракту проміжної частоти складових від сусідніх з гетеродином ділянок аналізованого спектра. При вимірюванні спектра низькоінтенсивного електромагнітного випромінювання виникають ще і додаткові перешкоди від власних шумів антени і елементів НВЧ тракту, які співрозмірні з сигналом, що досліджується. Відомий спосіб вимірювання спектра низькоінтенсивного електромагнітного випромінювання [Методы и средства сверхвысокочастотной радиометрии. / Куценко В.П., Скрипник Ю.А., Трегубов Н.Ф. і інші - Донецк: ІПШІ "Наука і освіта", 2011. - C. 184-189], заснований на виділенні із аналізованого спектра вузької ділянки частот за допомогою хвилеводного смугового фільтра, встановлені частоти НВЧ гетеродина на частоту виділеної ділянки спектра, яка зміщена на значення частоти налаштування вузькосмугового підсилювача проміжної частоти, з наступним квадратичним перетворенням сигналу проміжної частоти і вимірювані різниці напруг від прийнятого антеною сигналу і сигналу від еквівалента антени. Однак, необхідність переналаштування двох вузькосмукових НВЧ елементів (смугового хвилеводного фільтра і монохроматичного гетеродина) зі збереженням постійної різниці налаштованих частот затрудняє здійснення спектрального аналізу електромагнітних випромінювань з високою точністю у широкому діапазоні НВЧ. Відомий також спосіб вимірювання спектра низькоінтенсивного електромагнітного випромінювання [Патент України №75336, МПК G01S 13/00, 2012 р.], у якому із надвисокочастотних сигналів антени і її еквівалента почергово з низькою частотою виділяють широкосмугові ділянки спектрів фільтром верхніх частот, які змішують з монохроматичними коливаннями надвисокочастотного гетеродина, частоту якого вибирають фіксованою, із змішаних коливань виділяють широку смугу різницевих частот фільтром нижніх частот та визначають спектральну щільність потужності. Крім того, відомий спосіб передбачає послідовне виділення вузькосмугових сигналів із багаточастотного сигналу різницевих частот покроковим переналаштуванням частоти вибіркового підсилювача проміжної частоти від мінімальної частоти пропускання фільтра нижніх частот до його частоти зрізу, визначення спектральної щільності потужності аналізованого випромінювання по різниці дисперсій низькочастотних напруг, які виділяються квадратичним детектором. Вимірювання спектральних складових НВЧ сигналу здійснюється переналаштуванням частоти вибіркового підсилювача проміжної частоти. Однак, у вибірковому підсилювачі зміна частоти налаштування завжди викликає зміну його смуги пропускання. Тому виконати послідовний спектральний аналіз з постійною шириною смуги пропускання важко. Виключити виникаючу при цьому похибку вимірювання від зміни смуги пропускання практично неможливо. В основу корисної моделі покладена задача створення такого способу вимірювання спектру низькоінтенсивного електромагнітного випромінювання, в якому введенням нових операцій з сигналами забезпечилось би підвищення точності спектрального аналізу і спрощення схемотехнічної реалізації пропонованого способу. Поставлена задача вирішується тим, що в способі вимірювання спектра низькоінтенсивного електромагнітного випромінювання, який полягає в тому, що із надвисокочастотних сигналів антени і її еквівалента почергово з низькою частотою виділяють широкосмугові ділянки спектрів фільтром верхніх частот, які змішують з монохроматичними коливаннями надвисокочастотного гетеродина, частоту якого вибирають фіксованою, із змішаних коливань виділяють широку смугу різницевих частот фільтром нижніх частот та визначають спектральну щільність потужності, згідно з корисною моделлю, додатково змішують почергово виділені коливання різницевих частот з монохроматичними коливаннями додаткового високочастотного гетеродина, частоту якого послідовно змінюють від частоти зрізу фільтра нижніх частот до її подвоєного значення, із змішаних коливань виділяють сигнали фіксованої проміжної частоти вибірковим підсилювачем, налаштованим на частоту зрізу фільтра нижніх частот, почергово квадратують виділені сигнали фіксованої проміжної частоти і з їх часової послідовності виділяють змінну складову напруги низької частоти переключення надвисокочастотних сигналів, по якій визначають спектральну 1 UA 83432 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 щільність потужності виділеної складової спектра, а по частоті налаштування надвисокочастотного гетеродина і по частоті налаштування додаткового високочастотного гетеродина судять про її частоту. Введення в запропонований спосіб додаткової операції змішування раніше виділених коливань різницевих частот з монохроматичними коливаннями додаткового високочастотного (ВЧ) гетеродина дозволяє здійснювати другий ступінь перетворення частоти в напрямку її зниження. При цьому частоту ВЧ гетеродина послідовно змінюють від частоти зрізу фільтра нижніх частот до її подвійного значення. Це дозволяє із змішаних коливань виділити сигнал однієї фіксованої другої проміжної частоти вибірковим підсилювачем, налаштованим на частоту зрізу фільтра нижніх частот без дзеркальних завад. Фіксована частота налаштування забезпечує постійність смуги пропускання частот в межах виділеної другої проміжної частоти, що і дає можливість проведення спектрального аналізу з постійною смугою виділених частот. Виділення із часової послідовності квадратованих імпульсів змінної складової напруги частоти періодичного переключення НВЧ сигналів антени і її еквівалента дозволяє позбутися впливу власних шумів елементів НВЧ і ВЧ трактів вимірювальної схеми, що забезпечує можливість вимірювання спектральної щільності потужності слабких низькоінтенсивних ЕМВ, які властиві більшості природних і штучних джерел випромінювання. По частоті переналаштованого ВЧ гетеродина можливе визначення надвисокої частоти із спектра ЕМВ, а по амплітуді низькочастотної напруги, відповідній цій частоті, спектральну щільність потужності, що в свою чергу забезпечує підвищену точність спектрального аналізу і спрощення апаратурної реалізації. На фіг. 1 представлена електрична функціональна схема вимірювання спектра низькоінтенсивного електромагнітного випромінювання; на фіг. 2 - епюри коливань виділених частот складових спектру в процесі вимірювальних перетворень. Антена 1 (фіг. 1) і еквівалент антени 2 через хвилеводний автоматичний перемикач 3 підключені до входу хвилеводного фільтра 4 верхніх частот. Надвисокочастотний (НВЧ) змішувач 5, одним входом з'єднаний з виходом хвилеводного фільтра 4 верхніх частот, а іншим входом з'єднаний з монохрометричним НВЧ гетеродином 6 фіксованої частоти. До виходу НВЧ змішувача 5 підключені послідовно з'єднані високочастотний (ВЧ) фільтр 7 низьких частот, ВЧ змішувач 8, другий вхід якого з'єднаний з ВЧ гетеродином 9 регульованої частоти, вибірковий підсилювач 10 фіксованої проміжної частоти І квадратичний детектор 11. Вихід квадратичного детектора 11 з'єднаний з послідовно включеним підсилювачем 12 низької частоти, фазочутливим випрямлячем 13, фільтром нижніх частот 14 і вольтметром 15. Генератор низької частоти 16 з'єднаний з управляючими входами хвилеводного перемикача 3 і фазочутливого випрямляча 13. Спосіб вимірювання спектра низькоінтенcивного електромагнітного випромінювання здійснюється наступним чином. Аналізоване електромагнітне випромінювання (ЕМВ) приймається антеною 1 і у вигляді НВЧ сигналу надходить на один вхід хвилеводного автоматичного перемикача 3. На другий вхід хвилеводного автоматичного перемикача 3 надходить НВЧ сигнал від еквівалента 2, який виконаний у вигляді кінцевого хвильового навантаження, шуми якого відповідні шумам антени 1. Хвилеводний автоматичний перемикач 3 керується напругою генератора 16 низької частоти. Обидва НВЧ сигнали почергово з низькою частотою перемикання проходять через хвилеводний фільтр 4 верхніх частот. Як НВЧ фільтр верхніх частот можуть бути використані відрізки хвилеводів, внутрішні розміри яких забезпечують необхідний діапазон частот виділеної ділянки аналізованого спектра ЕМВ. Так хвилевод з розмірами (3,6 × 1,8) мм має смугу прозорості (53,678,3) ГГц, а хвилевод з розмірами (2,4 × 1,2) мм відповідно (78,3-118,1) ГГц. Сигнал, що пройшов крізь фільтр 4 верхніх частот НВЧ коливань з шириною fc в діапазоні частот від нижньої fсн до верхньої fсв (фіг. 2,а), потрапляє в НВЧ змішувач 5, де змішується з монохроматичними коливаннями НВЧ гетеродина 6, який має фіксовану частоту налаштування fГ1 (фіг. 2,б). Частоту НВЧ гетеродина вибирають рівною нижній частоті fсн смуги пропускання хвилеводного фільтра 4 верхніх частот fГ1  fсн .·В результаті змішування виділених НВЧ коливань утворюються більш низькочастотні високочастотні (ВЧ) коливання різницевих частот, які утворюють спектр коливань першої проміжної частоти fпр1 (фіг. 2,в). Так як всі проміжні частоти утворюються з НВЧ сигналів вищої частоти гетеродина fc  fГ1 (фіг. 2,а і б), то в процесі змішування не утворяться дзеркальні перешкоди з складових спектр ЕМВ менших частот гетеродина 6, які подавляються хвилеводним фільтром 4 верхніх частот. Всі ВЧ коливання першої проміжної частоти fпр1  fc  fГ1 виділяють високочастотним фільтром 7   2 UA 83432 U нижніх частот, верхню частоту проходження якого (частоту зрізу fзр ) вибирають рівною різницевій частоті, яка утвориться із найбільшої частоти fсв смуги частот, які виділяються  5 10  фільтром верхніх частот 4, гетеродина fГ1 fзр  fсв  fГ1 (фіг. 2,в). Спектри різницевих частот fпр1 формуються як із НВЧ сигналу антени 1, так і з НВЧ сигналу еквівалента антени 2. Однак в часі вони прив'язані до різних півперіодів роботи хвилеводного автоматичного перемикача 3. Широкосмугові ВЧ сигнали різницевих частот (першої проміжної частоти) почергово змішують у високочастотному змішувачі 8 з монохроматичними коливаннями ВЧ гетеродина 9, частоту налаштування якого fГ 2 послідовно змінюють від частоти зрізу високочастотного фільтра 7 нижніх частот fзр до її подвоєного значення 2 fзр (фіг. 2,г). Із змішаних коливань виділяють коливання фіксованої другої проміжної (різницевої) частоти fпр2  fГ 2  fпр1 , на яку налаштований вибірковий підсилювач 10 другої проміжної частоти. При цьому вибірковий підсилювач 10 налаштований на частоту зрізу фільтру нижніх частот 7 fпр2  fзр (фіг. 2,д). Так,   при змішуванні коливань найбільшої різницевої частоти fпр2  fсв  fГ1 в спектрі різницевих частот (фіг. 2,в) з подвоєним значенням частоти гетеродина 9 fГ 2  2fзр (фіг. 2,г) утвориться 15 різницева частота fпр2  fзр , яка і виділяється вибірковим підсилювачем 10. Послідовним зменшенням частоти ВЧ гетеродина 9 від подвоєного значення 2fГ 2  до початкового значення fГ 2  виділяються складові другої проміжної частоти fпр2  fГ 2  fпр1  fзр з більш низькочастотних складових спектру різницевих частот (фіг. 2,в і д) повністю до нульового значення різницевої частоти fпр1  fсн  fГ1 . Так, як частота налаштування вибіркового 20 підсилювача 10 не змінюється, то і смуга його пропускання залишається незмінною в процесі спектрального аналізу fпр2  const .   При повторному перетворенні частоти високочастотних різницевих коливань частота ВЧ гетеродина 9 завжди більша частоти перетворюваних коливань 25 30 35 40 45 fГ2  fпр1 . Відсутність симетричних більш високочастотних, відносно частоти fГ 2 гетеродина, складових спектра різницевих частот забезпечує і відсутність дзеркальних складових на другій проміжній частоті fпр 2 . Таким чином, завдяки вказаному вибору частот першого (НВЧ) і другого (ВЧ) гетеродинів, а також смуг пропускання фільтрів верхніх (ФВЧ) і нижніх (ФНЧ) частот повністю виключається дзеркальні перешкоди при перетворенні частоти ЕМВ з суцільним спектром. При цьому переналаштованим по частоті елементом є тільки один другий додатковий більш низькочастотний гетеродин. Ширина смуги аналізу fпр2 зберігається постійною у всьому діапазоні частот виділеної ділянки НВЧ спектра. При періодичній роботі хвилеводного автоматичного перемикача 3 на виході вибіркового підсилювача 10 формуються Імпульси напруги з коливань другої проміжної частоти, які надходять з низькою частотою. Ці імпульси детектуються квадратичним детектором 11 і усереднюються ємністю цього детектора. Амплітуда одного з імпульсів пропорційна спектральній щільності потужності аналізованої ділянки спектра ЕМВ з доданими спектральними щільностями потужності власних шумів антени 1 та шумів НВЧ і ВЧ трактів. Амплітуда другого Імпульсу пропорційна лише спектральній щільності потужності шумів еквівалента 2 (які дорівнюють шумам антени 1) та шумів НВЧ і ВЧ трактів перетворення сигналів. В послідовності імпульсів із-за їх нерівності присутня низькочастотна огинаюча, яка виділяється в процесі квадратичного детектування у вигляді напруги низької частоти перемикання НВЧ сигналів. Виділена квадратичним детектором 11 змінна складова напруги підсилюється підсилювачем низької частоти 12 і випрямляється фазочутливим випрямовувачем 13, який керується напругою генератора 16 низької частоти. Випрямлена напруга є пропорційною тільки спектральній щільності потужності спектру ЕМВ незалежно від рівня власних шумів вимірювальної схеми. Ця напруга згладжується фільтром 14 нижніх частот і вимірюється вольтметром 15. Аналіз спектра ЕМВ починається з налаштування частоти ВЧ гетеродина 9 fГ 2 на частоту  50 fc  fГ1  зрізу fзр високочастотного фільтра 7 нижніх частот fГ 2  fзр . В цьому випадку найбільш низькочастотні складові спектра першої проміжної частоти fпр1 (фіг. 2,в), які знаходяться 3 UA 83432 U близько початку смуги пропускання фільтра нижніх частот 7, попадають в смугу пропускання fпр2 вибіркового підсилювача 10 другої проміжної частоти (фіг. 2,д) fпр2  fГ 2  fпр1  fзр . Подальше збільшення частоти fГ 2 в напрямку її подвоєння приводить до попадання в смугу 5 10 15 20 25 30 35 40 fпр2 більш високочастотних складових із спектра проміжної частоти (фіг. 2,в). Оскільки спектр першої проміжної частоти формується зі спектра НВЧ ЕМВ (фіг. 2,а), то послідовне переналаштування частоти другого гетеродина 9 в діапазоні від fГ 2 до 2fГ 2 дозволяє виділити і виміряти спектральну щільність потужності всіх складових спектра ЕМВ в смузі частот від частоти fсн до частоти fсв (фіг. 2,а), з яких за допомогою НВЧ гетеродина 6 (фіг. 2,б) формуються сигнали першої проміжної частоти. Значення спектральної щільності потужності складових спектра ЕМВ визначають за показаннями вольтметру 15, а частоту виділеної складової спектра ЕМВ з відношення:   fс  fГ1  fГ2  fГ2 , де: fГ 2  fзр - початкова частота ВЧ гетеродина 9;   fГ2 - встановлена в процесі аналізу частота ВЧ гетеродина 9. За результатами вимірювань потужності і частоти спектральних складових можна визначити огинаючу спектра ЕМВ на аналізованій ділянці спектра і оцінити його нерівномірність. Таким чином, завдяки використанню двократного перетворення частот ЕМВ, що приймаються антеною, і виділення інформативного сигналу непереналаштовуваним по частоті вибірковим підсилювачем другої проміжної частоти, забезпечується. При цьому переналаштовується по частоті тільки другий більш низькочастотний гетеродин 9, а інші елементи, хвилеводний фільтр 4 і НВЧ гетеродин 6, мають фіксовані налаштування частоти та смуги пропускання. Так, при аналізі спектра НВЧ випромінювання в хвилеводному міліметровому діапазоні (55-65 ГГц) частота першого НВЧ гетеродина 6 буде вибрана фіксованою (55 ГГц), а частоту другого ВЧ гетеродина 9 необхідно буде переналаштовувати в коаксіальному діапазоні частот 10-20 ГГц, що можливо зробити за допомогою стандартного генератора сантиметрового діапазону. В результаті цього значно спрощується схемотехнічна реалізація способу і досягається підвищення точності спектрального аналізу за рахунок виключення впливу дзеркальних перешкод, що виникають при перетворенні частот з двома елементами, характеристики яких переналаштовуються під час аналізу. Виділення різниці сигналів від антени та її еквіваленту дозволяє виключити вплив на результат вимірювання власних шумів НВЧ і ВЧ трактів, що співрозмірні зі слабкими низькоінтенсивними вимірювальними сигналами. Використання запропонованого способу в контрольно-вимірювальній техніці дозволить проводити неруйнівний радіометричний контроль складу і властивостей матеріалів і виробів на досить коротких (міліметрових) довжинах хвиль, що підвищить роздільну здатність контролю. В медицині і біології створюється можливість оцінювати спектри випромінювання живих організмів і забезпечувати сумісність ліків з частотно-хвильовими властивостями тканин і органів людини. Перспективно використання способу в системах тепло-радіолокації і системах знаходження сторонніх предметів на непровідному фоні, наприклад, зброя на тілі людини. По формі огинаючої спектра можна фіксувати нерівновагові ЕМВ на фоні стаціонарних випромінювань, а також аналізувати спектри нестаціонарних випромінювань і поглинань. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 55 Спосіб вимірювання спектра низькоінтенсивного електромагнітного випромінювання, який полягає в тому, що із надвисокочастотних сигналів антени і її еквівалента почергово з низькою частотою виділяють широкосмугові ділянки спектрів фільтром верхніх частот, які змішують з монохроматичними коливаннями надвисокочастотного гетеродина, частоту якого вибирають фіксованою, із змішаних коливань виділяють широку смугу різницевих частот фільтром нижніх частот та визначають спектральну щільність потужності, який відрізняється тим, що додатково змішують почергово виділені коливання різницевих частот з монохроматичними коливаннями додаткового високочастотного гетеродина, частоту якого послідовно змінюють від частоти зрізу фільтра нижніх частот до її подвоєного значення, із змішаних коливань виділяють сигнали фіксованої проміжної частоти вибірковим підсилювачем, налаштованим на частоту зрізу фільтра нижніх частот, почергово квадратують виділені сигнали фіксованої проміжної частоти і з їх часової послідовності виділяють змінну складову напруги низької частоти переключення 4 UA 83432 U надвисокочастотних сигналів, по якій визначають спектральну щільність потужності виділеної складової спектра, а по частоті налаштування надвисокочастотного гетеродина і по частоті налаштування додаткового високочастотного гетеродина судять про її частоту. 5 UA 83432 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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