RU2619841C1 - Zero radiometer - Google Patents

Zero radiometer Download PDF

Info

Publication number
RU2619841C1
RU2619841C1 RU2016109667A RU2016109667A RU2619841C1 RU 2619841 C1 RU2619841 C1 RU 2619841C1 RU 2016109667 A RU2016109667 A RU 2016109667A RU 2016109667 A RU2016109667 A RU 2016109667A RU 2619841 C1 RU2619841 C1 RU 2619841C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency
input
radiometer
output
amplifier
Prior art date
Application number
RU2016109667A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Антон Викторович Убайчин
Александр Владимирович Филатов
Григорий Григорьевич Жук
Егор Владимирович Алексеев
Вера Николаевна Филатова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР)
Priority to RU2016109667A priority Critical patent/RU2619841C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2619841C1 publication Critical patent/RU2619841C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K13/00—Thermometers specially adapted for specific purposes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
    • G01R29/08—Measuring electromagnetic field characteristics

Landscapes

  • Radiation Pyrometers (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: declared zero radiometer comprising an antenna, the first and the second high-frequency switches, a series-connected pulse amplifier, a high pass filter, a synchronous low pass filter, a comparator, a control unit, the first, the second and the third outputs of which are connected respectively to the control inputs of the synchronous low pass filter, the first and the second high-frequency switches, and the fourth output is an output bus of the radiometer, a common bus of which is connected to the second input of the comparator, a thermostated board, on which the first high-frequency switch is mounted and stored therewith in a thermal contact. The radiometer is additionally equipped with an agreed load mounted on the thermostated board and stored therewith in a thermal contact, connected to the first input of the first high-frequency switch, the second and the third inputs of which are connected respectively to the high-frequency short-circuit and the antenna, and the output is connected through the first high-frequency amplifier to the input of the second high-frequency switch, the first and the second outputs of which are connected through the first and the second pass-band filters respectively to the first and the second inputs of the third high-frequency switch, the output of which is connected to the input of the pulse amplifier through the series-connected second high-frequency amplifier and the quadratic detector, wherein the control inputs of the second and the third high-frequency switches are combined together.
EFFECT: simplifying the input measuring part of the zero radiometer while preserving the advantages of the zero measurement method, simplifying the design, reducing the weight and dimension parameters and increasing the reliability.
4 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к микроволновым радиометрам, и может использоваться в дистанционном зондировании Земли, медицине, поиске радиотепловых аномалий и т.д.The invention relates to measuring equipment, namely to microwave radiometers, and can be used in remote sensing of the Earth, medicine, the search for thermal thermal anomalies, etc.

Известен аналог - радиометр с трехопорной модуляцией [Пат. №2510513 РФ, МПК G01R 29/08. Радиометр с трехопорной модуляцией / Верба В.С., Плющев В.А., Сидоров И.А.; Заявитель и патентообладатель Министерство промышленности и торговли Российской Федерации. - 2012120150/28; заявл. 16.05.2012; опубл. 27.03.2014, Бюл. №9], содержащий (см. фиг. 1) приемную антенну 1, трехвходовый СВЧ-переключатель 2, СВЧ-циркулятор 3, усилитель высокой частоты 4, квадратичный детектор 5, усилитель низкой частоты 6, синхронный фильтр 7, синхронный детектор 8, блок вычисления множительно-делительной операции 9, регистратор 10, блок управления модуляцией 16, «горячую» эталонную согласованную нагрузку 11, «холодную» эталонную согласованную нагрузку 14, термодатчик «горячей», эталонной согласованной нагрузки 12, термодатчик «холодной» эталонной согласованной нагрузки 15, нагревательный элемент «горячей» эталонной согласованной нагрузки 13, твердотельный источник «холодного» шума 17, термодатчик твердотельный источника «холодного» шума 18.A known analogue is a radiometer with three-support modulation [US Pat. No. 2510513 of the Russian Federation, IPC G01R 29/08. A radiometer with three-support modulation / Verba V.S., Plyushchev V.A., Sidorov I.A .; Applicant and patent holder Ministry of Industry and Trade of the Russian Federation. - 2012120150/28; declared 05/16/2012; publ. 03/27/2014, Bull. No. 9], comprising (see FIG. 1) a receiving antenna 1, three-input microwave switch 2, microwave circulator 3, high-frequency amplifier 4, quadratic detector 5, low-frequency amplifier 6, synchronous filter 7, synchronous detector 8, block calculating a multiplication-dividing operation 9, a recorder 10, a modulation control unit 16, a “hot” reference matched load 11, a “cold” reference matched load 14, a thermal sensor of “hot”, reference matched load 12, a thermal sensor of “cold” reference matched load 15, heating an element of a “hot” reference matched load 13, a solid-state source of “cold” noise 17, a thermal sensor, a solid-state source of “cold” noise 18.

В представленном техническом решении недостатком является наличие твердотельного генератора низкотемпературного шума, реализация которого осуществляется на основе активных полупроводниковых элементов и узлов, например малошумящих усилителей, диодов с барьером Шоттки, требующих дополнительного источника питания, системы контроля изменения или поддержания стабильности в виде термостата и т.д. Сложность конструкции обусловлена наличием трех источников опорного шумового сигнала, что является существенным недостатком для радиометрических систем.In the presented technical solution, the drawback is the presence of a solid-state generator of low-temperature noise, the implementation of which is carried out on the basis of active semiconductor elements and nodes, for example low-noise amplifiers, Schottky barrier diodes, requiring an additional power source, a control system for changing or maintaining stability in the form of a thermostat, etc. . The complexity of the design is due to the presence of three sources of the reference noise signal, which is a significant drawback for radiometric systems.

Известен нулевой радиометр, выбранный в качестве прототипа [Пат. №2439594 РФ, МПК G01R 29/08. Нулевой радиометр / Филатов А.В., Убайчин А.В., Жуков Н.О.; Заявитель и патентообладатель Томск, гос. ун-тет систем упр. и радиоэлектроники. - №2010122360/28; заявл. 01.06.2010; опубл. 10.01.2012, Бюл. №1], содержащий (см. фиг. 2) последовательно соединенные антенну 1, направленный ответвитель 2, модулятор 3, приемник 7, импульсный усилитель 8, фильтр высоких частот 9, синхронный фильтр низких частот 10, компаратор 11, блок управления 12. Второй вход компаратора соединен с общей шиной радиометра. Первый и второй выходы блока управления подключены к соответствующим управляющим входам синхронного фильтра низких частот и модулятора, а третий является выходной шиной радиометра 14. Выход источника тока 6 соединен с входом генератора шума 5. Выходной сигнал генератора поступает на входы модулятора через переключатель 16. Изменение мощности выходного сигнала генератора шума 5 осуществляется при помощи первого 4 и второго 15 аттенюаторов.Known zero radiometer, selected as a prototype [US Pat. No. 2439594 of the Russian Federation, IPC G01R 29/08. Zero radiometer / Filatov A.V., Ubaichin A.V., Zhukov N.O .; Applicant and patent holder Tomsk, state Un-tet systems and radio electronics. - No.2010122360 / 28; declared 06/01/2010; publ. 01/10/2012, Bull. No. 1], comprising (see FIG. 2) a series-connected antenna 1, a directional coupler 2, a modulator 3, a receiver 7, a pulse amplifier 8, a high-pass filter 9, a synchronous low-pass filter 10, a comparator 11, a control unit 12. The second the comparator input is connected to a common radiometer bus. The first and second outputs of the control unit are connected to the corresponding control inputs of the synchronous low-pass filter and the modulator, and the third is the output bus of the radiometer 14. The output of the current source 6 is connected to the input of the noise generator 5. The output signal of the generator is supplied to the inputs of the modulator through switch 16. Power change the output signal of the noise generator 5 is carried out using the first 4 and second 15 attenuators.

В радиометре осуществляются два вида синхронно выполняемых импульсных модуляций: амплитудная и широтная. Амплитудно-импульсная модуляция выполняется в модуляторе 3. Период модуляции состоит из двух полупериодов равной длительности. Широтно-импульсная модуляция сигнала генератора шума осуществляется в переключателе 16. Радиометр функционирует на принципе уравнивания энергий входного сигнала антенны и опорных источников шума, что реализуется изменением длительности сигнала широтно-импульсной модуляции. Оба опорных сигнала формируются от одного генератора шума. Первый из этих сигналов поступает в тракт антенны через аттенюатор 4 и направленный ответвитель 2, второй - через аттенюатор 15. Регулировка аттенюаторов осуществляется в процессе калибровки радиометра.Two types of synchronously executed pulse modulations are carried out in the radiometer: amplitude and latitudinal. Pulse amplitude modulation is performed in modulator 3. The modulation period consists of two half-periods of equal duration. Pulse-width modulation of the signal of the noise generator is carried out in the switch 16. The radiometer operates on the principle of equalizing the energies of the input signal of the antenna and the reference noise sources, which is realized by changing the duration of the pulse-width modulation signal. Both reference signals are generated from a single noise generator. The first of these signals enters the antenna path through the attenuator 4 and the directional coupler 2, the second through the attenuator 15. The attenuators are adjusted during the calibration of the radiometer.

Принцип работы радиометра заключается в изменении длительности широтно-импульсного сигнала. Это изменение осуществляется до тех пор, пока компаратор, работающий в режиме сравнения с потенциалом общей шины, не определит равенство вольт-секундных площадей. В приведенном микроволновом радиометре результаты измерений не зависят от дрейфа коэффициента передачи приемника и его собственных шумов и их изменений.The principle of operation of the radiometer is to change the duration of the pulse-width signal. This change is carried out until the comparator, working in the mode of comparison with the potential of the common bus, determines the equality of the volt-second areas. In the above microwave radiometer, the measurement results are independent of the drift of the receiver gain and its own noises and their changes.

К недостатку радиометра-прототипа можно отнести использование активного генератора шума, как эталона, обеспечивающего реализацию нулевого метода измерений. Активные генераторы шума создаются на основе лавинно-пролетных диодов или диодов Ганна. Характерной особенностью генератора шума на основе данных диодов является использование активного элемента в режиме пробоя на обратном участке вольт-амперной характеристики, что обуславливает необходимость использования источника тока с достаточно высоким напряжением питания по сравнению с номинальным напряжением питания основных блоков и узлов радиометра. Поэтому применяются дополнительные преобразователи напряжения, что сказывается на массе и габаритах радиометра в целом.The disadvantage of the prototype radiometer can be attributed to the use of an active noise generator as a standard that provides the implementation of the zero measurement method. Active noise generators are created based on avalanche-span diodes or Gunn diodes. A characteristic feature of the noise generator based on these diodes is the use of an active element in breakdown mode on the reverse section of the current-voltage characteristic, which necessitates the use of a current source with a sufficiently high supply voltage compared to the nominal supply voltage of the main units and nodes of the radiometer. Therefore, additional voltage converters are used, which affects the mass and dimensions of the radiometer as a whole.

Передаточная функция радиометра настраивается в процессе калибровки и имеет два репера, в основе которых положен сигнал генератора шума. Эта особенность накладывает жесткие требования на долговременную и температурную стабильность генератора шума, что достигается путем глубокого термостатирования его активной зоны, применением питающих источников тока с высокой стабильностью, использованием схем, позволяющих учитывать старение элементов, медленные дрейфы и т.д.The transfer function of the radiometer is adjusted during the calibration process and has two reference points based on the noise generator signal. This feature imposes stringent requirements on the long-term and temperature stability of the noise generator, which is achieved by deep temperature control of its active zone, the use of power sources with high stability, the use of circuits that allow for the aging of elements, slow drifts, etc.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в упрощении входной измерительной части нулевого радиометра при сохранении преимуществ нулевого метода измерений. В предлагаемом радиометре не используются активные генераторы шума, что упрощает конструкцию, снижает стоимость и массогабаритные параметры, увеличивает надежность.The technical result of the invention is to simplify the input measuring part of the zero radiometer while maintaining the advantages of the zero measurement method. The proposed radiometer does not use active noise generators, which simplifies the design, reduces cost and weight and size parameters, and increases reliability.

Для достижения этого технического результата в нулевой радиометр, содержащий антенну, первый и второй высокочастотные переключатели, последовательно соединенные импульсный усилитель, фильтр высоких частот, синхронный фильтр низких частот, компаратор, блок управления, первый, второй и третий выходы которого подключены соответственно к управляющим входам синхронного фильтра низких частот, первого и второго высокочастотных переключателей, а четвертый выход является выходной шиной радиометра, общая шина которого соединена со вторым входом компаратора, термостатированную плату, на которой установлен и находится с ней в тепловом контакте первый высокочастотный переключатель, дополнительно введены установленная на термостатированной плате и находящаяся с ней в непосредственном тепловом контакте согласованная нагрузка, соединенная с первым входом первого высокочастотного переключателя, второй и третий входы которого подключены соответственно к высокочастотному короткозамыкателю и антенне, а выход через первый высокочастотный усилитель соединен с входом второго высокочастотного переключателя, первый и второй выходы которого через первый и второй полосно-пропускающие фильтры соответственно соединены с первым и вторым входами третьего высокочастотного переключателя, выход которого через последовательно соединенные второй высокочастотный усилитель и квадратичный детектор подключен к входу импульсного усилителя, причем управляющие входы второго и третьего высокочастотных переключателей объединены вместе.To achieve this technical result, a zero radiometer containing an antenna, first and second high-frequency switches, serially connected pulse amplifier, high-pass filter, synchronous low-pass filter, comparator, control unit, the first, second and third outputs of which are connected respectively to the control inputs of the synchronous low-pass filter, the first and second high-frequency switches, and the fourth output is the output bus of the radiometer, the common bus of which is connected to the second input a comparator’s house, a thermostatically controlled board on which the first high-frequency switch is installed and located in thermal contact with it, an additional load installed on the thermostated board and in direct thermal contact with it, connected to the first input of the first high-frequency switch, the second and third inputs of which connected respectively to the high-frequency short-circuit and antenna, and the output through the first high-frequency amplifier is connected to the input of the second a co-frequency switch, the first and second outputs of which are connected through the first and second bandpass filters to the first and second inputs of the third high-frequency switch, the output of which is connected through the second high-frequency amplifier and the quadratic detector to the input of the pulse amplifier, the control inputs of the second and third high frequency switches combined together.

На фиг. 1 приведена структурная схема радиометра-аналога.In FIG. 1 shows a structural diagram of an analog radiometer.

На фиг. 2 представлена структурная схема радиометра-прототипа.In FIG. 2 shows a structural diagram of a prototype radiometer.

На фиг. 3 показана структурная схема предлагаемого нулевого радиометра.In FIG. 3 shows a structural diagram of the proposed zero radiometer.

На фиг. 4 проиллюстрированы временные диаграммы, поясняющие принцип работы предлагаемого нулевого радиометра.In FIG. 4 illustrates timing diagrams explaining the principle of operation of the proposed zero radiometer.

Нулевой радиометр (см. фиг. 3) состоит из антенны 1, первого высокочастотного переключателя 3, высокочастотного короткозамыкателя 6, согласованной нагрузки 15, термостатированной платы 13, блока управления 12, первого высокочастотного усилителя 7, второго высокочастотного переключателя 16, первого 4 и второго 5 полосно-пропускающих фильтров, третьего высокочастотного переключателя 2, второго высокочастотного усилителя 17, квадратичного детектора 18, импульсного усилителя 8, фильтра высоких частот 9, синхронного фильтра низких частот 10, компаратора 11, выходной шины радиометра 14.The zero radiometer (see Fig. 3) consists of an antenna 1, a first high-frequency switch 3, a high-frequency short-circuit 6, a matched load 15, a thermostatic board 13, a control unit 12, a first high-frequency amplifier 7, a second high-frequency switch 16, the first 4 and second 5 bandpass filters, third high-frequency switch 2, second high-frequency amplifier 17, quadratic detector 18, pulse amplifier 8, high-pass filter 9, synchronous low-pass filter 10, comparator 11, the output bus 14 of the radiometer.

Нулевой радиометр функционирует следующим образом (фиг. 4). Блок управления формирует два синхронно следующих управляющих импульсных сигнала tшим и tаим. Управляющий импульсный сигнал tаим представляет собой сигнал амплитудно-импульсной модуляции со скважностью два (меандр). Управляющий импульсный сигнал tшим представляет собой сигнал широтно-импульсной модуляции с возможностью изменения длительности от нуля до tаим.Zero radiometer operates as follows (Fig. 4). The control unit generates two pulsed synchronously following control signal PWM t and t PAM. The control pulse signal t aim is a signal of amplitude-pulse modulation with a duty cycle of two (meander). The control pulse signal t PWM signal is a pulse-width modulation to vary the duration from zero to t PAM.

Оба управляющих сигнала со второго выхода блока управления 12 поступают по шине на управляющий вход первого высокочастотного переключателя 3. Под действием этих управляющих сигналов на вход первого высокочастотного усилителя 7 происходит последовательное подключение высокочастотного короткозамыкателя 6, согласованной нагрузки 15 и антенны 1. В первом полупериоде модуляции (см. фиг. 4) во время высокого уровня управляющего сигнала tшим на вход первого высокочастотного усилителя 7 подключен высокочастотный короткозамыкатель 6. На интервале времени низкого уровня управляющего сигнала tшим на вход первого усилителя 7 подключается согласованная нагрузка 15. Антенна 1 подключается на вход первого высокочастотного усилителя 7 во время высокого уровня управляющего сигнала tаим (второй полупериод модуляции).Both control signals from the second output of the control unit 12 are sent via a bus to the control input of the first high-frequency switch 3. Under the action of these control signals, the high-frequency short-circuit switch 6, the matched load 15 and antenna 1 are connected in series to the first modulation half-cycle ( see Fig. 4) during a high level of the control signal t PWM, a high-frequency short circuit 6. is connected to the input of the first high-frequency amplifier 7. at a low level of the control signal t PWM , a matched load 15 is connected to the input of the first amplifier 7. Antenna 1 is connected to the input of the first high-frequency amplifier 7 during a high level of the control signal t aim (second modulation half-period).

Первый 7 и второй 17 высокочастотные усилители предназначены для увеличения мощности измеряемых сигналов. Квадратичный детектор 17 выполняет операцию выделения огибающей входного сигнала по квадратичному закону (преобразование мощности в напряжение). Импульсный усилитель 8 увеличивает амплитуду продетектированного сигнала. Фильтр высоких частот 9 предназначен для устранения постоянной составляющей продетектированного сигнала, частота среза фильтра выбирается много больше частоты амплитудно-импульсной модуляции (1/tаим) для уменьшения искажений вольт-секундных площадей импульсов продетектированного сигнала.The first 7 and second 17 high-frequency amplifiers are designed to increase the power of the measured signals. The quadratic detector 17 performs the operation of extracting the envelope of the input signal according to the quadratic law (converting power to voltage). Pulse amplifier 8 increases the amplitude of the detected signal. The high-pass filter 9 is designed to eliminate the constant component of the detected signal, the cutoff frequency of the filter is chosen much higher than the frequency of the amplitude-pulse modulation (1 / t aim ) to reduce the distortion of the volt-second areas of the pulses of the detected signal.

Синхронный фильтр 10 уменьшает флуктуации шумовой составляющей продетектированного сигнала и обеспечивает защиту компаратора 11 от перегрузки. Синхронный фильтр 10 включает в себя три интегратора, поочередное подключение которых происходит синхронно с подключением на вход высокочастотного усилителя 7 высокочастотного короткозамыкателя 6, согласованной нагрузки 15 и антенны 1. Синхронный фильтр 10 выделяет постоянные составляющие перечисленных выше трех источников шумовых сигналов, обозначенных на фиг. 4 как уровни А, В, С. Управление работой синхронного фильтра 10 осуществляется по шине, соединяющей его управляющий вход с первым выходом блока управления 12.The synchronous filter 10 reduces fluctuations in the noise component of the detected signal and protects the comparator 11 from overload. The synchronous filter 10 includes three integrators, which are connected in turn synchronously with the input of the high-frequency amplifier 7 of the high-frequency short-circuit 6, the matched load 15 and antenna 1. The synchronous filter 10 selects the constant components of the above three noise sources, indicated in FIG. 4 as levels A, B, C. The operation of the synchronous filter 10 is controlled via a bus connecting its control input to the first output of the control unit 12.

Первый высокочастотный переключатель 3 работает в режиме мультиплексора с тремя входами и одним выходом. Второй высокочастотный переключатель 16 работает в режиме селектора, имеющего один вход и два выхода. Третий высокочастотный переключатель 2 работает в режиме мультиплексора и имеет два входа и один выход.The first high-frequency switch 3 operates in multiplexer mode with three inputs and one output. The second high-frequency switch 16 operates in a selector mode having one input and two outputs. The third high-frequency switch 2 operates in multiplexer mode and has two inputs and one output.

Центральные частоты первого 4 и второго 5 полосно-пропускающих фильтров равны между собой, а их рабочие полосы

Figure 00000001
и
Figure 00000002
соотносятся согласно следующему равенству:The center frequencies of the first 4 and second 5 bandpass filters are equal to each other, and their working bands
Figure 00000001
and
Figure 00000002
are correlated according to the following equality:

Figure 00000003
Figure 00000003

При этом рабочая полоса частот радиометра определяется рабочей полосой первого 4 или второго 5 полосно-пропускающих фильтров, установленных между соответствующими выходами и входами второго 16 и третьего 2 высокочастотных переключателей (см. фиг. 3). Второй 16 и третий 2 высокочастотные переключатели работают синхронно под управлением сигнала tшим. При этом в моменты времени высокого уровня сигнала tшим вход первого высокочастотного переключателя 16 коммутируется на его первый выход, а первый вход третьего высокочастотного переключателя 2 соединяется с его выходом. В моменты времени низкого уровня сигнала tшим вход второго высокочастотного переключателя 16 соединен с его вторым выходом, а второй вход третьего высокочастотного переключателя 2 коммутируется на его выход. Таким образом, происходит синхронное с управляющим сигналом tшим изменение рабочей полосы частот радиометра - высокий уровень сигнала tшим соответствует рабочей полосе частот

Figure 00000001
, определяемой первым полосно-пропускающим фильтром 4, низкий уровень сигнала tшим соответствует рабочей полосе частот
Figure 00000002
, обусловленной вторым полосно-пропускающим фильтром 5.In this case, the working frequency band of the radiometer is determined by the working band of the first 4 or second 5 band-pass filters installed between the respective outputs and inputs of the second 16 and third 2 high-frequency switches (see Fig. 3). The second 16 and third 2 high-frequency switches operate synchronously under the control of the signal t PWM . Moreover, at times of a high signal level t PWM, the input of the first high-frequency switch 16 is switched to its first output, and the first input of the third high-frequency switch 2 is connected to its output. At times of low signal level t PWM, the input of the second high-frequency switch 16 is connected to its second output, and the second input of the third high-frequency switch 2 is switched to its output. Thus, a change in the working frequency band of the radiometer synchronous with the control signal t PWM occurs - a high level of the signal t PWM corresponds to the working frequency band
Figure 00000001
determined by the first pass-pass filter 4, the low signal level t PWM corresponds to the working frequency band
Figure 00000002
due to the second bandpass filter 5.

Нулевой радиометр находится в состоянии нулевого баланса при условии равенства вольт-секундных площадей отрицательного и положительного импульсов модулированной последовательности (отмечены штриховкой на фиг. 4), аналогично нулевому радиометру, выбранному в качестве прототипа.The zero radiometer is in a state of zero balance, provided that the volt-second areas of the negative and positive pulses of the modulated sequence are equal (marked by shading in Fig. 4), similar to the zero radiometer selected as a prototype.

При подключении на вход первого высокочастотного усилителя 7 высокочастотного короткозамыкателя 6 (высокий уровень tшим) на его выходе формируется сигнал, пропорциональный сумме собственных шумов радиометра, приведенных к входу первого высокочастотного усилителя 7 и этих же шумов, переотраженных в высокочастотном короткозамыкателе 6. Таким образом, на выходе первого высокочастотного усилителя 7 формируется сигнал, пропорциональный удвоенной эффективной температуре собственных шумов радиометра, при отсутствии интерференции на его входе. В работе [Троицкий B.C. К теории контактных радиометрических измерений внутренней температуры тел // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. - 1981. - №9. - С. 1954-1961] приведено условие отсутствия интерференции: электрическая длина высокочастотного короткозамыкателя 6 должна выбираться таким образом, чтобы в ней укладывалось несколько интерференционных максимумов. Это условие достаточно легко реализуется с учетом диэлектрической проницаемости подложки, где расположены высокочастотные узлы и ширины рабочей полосы частот радиометра.When the first high-frequency amplifier 7 of the high-frequency short circuit 6 is connected to the input (high level t PWM ), a signal is generated at its output that is proportional to the sum of the intrinsic noise of the radiometer brought to the input of the first high-frequency amplifier 7 and the same noises reflected in the high-frequency short circuit 6. Thus, a signal is generated at the output of the first high-frequency amplifier 7, which is proportional to twice the effective temperature of the noise floor of the radiometer, in the absence of interference at its input de. In [Troitsky VS On the theory of contact radiometric measurements of the internal temperature of bodies // News of higher educational institutions. Radiophysics. - 1981. - No. 9. - S. 1954-1961] the condition for the absence of interference is given: the electric length of the high-frequency short-circuiting device 6 should be chosen so that several interference maxima fit into it. This condition is quite easily implemented taking into account the dielectric constant of the substrate, where high-frequency nodes and the width of the working frequency band of the radiometer are located.

Особенностью функционирования предлагаемого нулевого радиометра является компенсация удвоенной мощности собственных шумов, возникающей при подключении на вход первого высокочастотного усилителя 7 высокочастотного короткозамыкателя 6. Компенсация достигается путем синхронного (по высокому уровню управляющего сигнала tшим), с подключением высокочастотного короткозамыкателя 6, уменьшения рабочей полосы частот радиометра в два раза за счет использования первого полосно-пропускающего фильтра 4, для которого выполняется соотношение (1).A feature of the functioning of the proposed zero radiometer is the compensation of the doubled power of the intrinsic noise that occurs when a high-frequency short-circuit breaker 6 is connected to the input of the first high-frequency amplifier 7. Compensation is achieved by synchronous (using a high level control signal t PWM ), by connecting a high-frequency short-circuit 6, reducing the working frequency band of the radiometer twice due to the use of the first band-pass filter 4, for which relation (1) is satisfied.

Синхронное с управляющим сигналом tшим изменение рабочей полосы частот радиометра в соответствии с условием (1) позволяет сохранить постоянным уровень сигнала, обусловленного собственными шумами радиометра, на входе квадратичного детектора 18 на протяжении всего периода модуляции.Synchronized with the PWM control signal t change the operating frequency band of the radiometer in accordance with the condition (1) allows to maintain a constant signal level due to the inherent noise radiometer inlet quadratic detector 18 throughout the period of modulation.

На фиг. 4 средние значения амплитуд на выходе синхронного фильтра 10 - для отрицательного импульса продетектированного сигнала обозначено за уровень А (соответствует коммутации высокочастотного короткозамыкателя 6 на вход первого высокочастотного усилителя 7), положительного - за уровень В (соответствует подключению согласованной нагрузки 15). Уровень, соответствующий второму полупериоду модуляции, при котором на вход квадратичного детектора 18 поступает сигнал антенны 1 (соответствует коммутации антенны 1 на вход первого высокочастотного усилителя 7), обозначен через С.In FIG. 4 the average values of the amplitudes at the output of the synchronous filter 10 - for a negative pulse of the detected signal is indicated for level A (corresponds to switching high-frequency short circuit 6 to the input of the first high-frequency amplifier 7), positive - for level B (corresponds to connecting the matched load 15). The level corresponding to the second half-period of modulation, at which the antenna 1 signal is input to the quadratic detector 18 (corresponds to the switching of the antenna 1 to the input of the first high-frequency amplifier 7), is denoted by C.

Тогда средние значения амплитуд соответствующих уровней продетектированного сигнала на выходе синхронного фильтра 10 равны:Then the average values of the amplitudes of the corresponding levels of the detected signal at the output of the synchronous filter 10 are equal to:

уровень Аlevel a уровень Вlevel b уровень Сlevel C

где G - полный коэффициент передачи высокочастотных 7, 17 и импульсного 8 усилителей, β - коэффициент передачи квадратичного детектора, k - постоянная Больцмана,

Figure 00000004
и
Figure 00000005
- рабочие полосы первого и второго полосно-пропускающих фильтров, Тш - эффективная температура собственных шумов, приведенных к входу первого высокочастотного усилителя, Тсн - шумовая температура согласованной нагрузки 15, Ta - шумовая температура антенны 1.where G is the total transmission coefficient of high-frequency 7, 17 and pulse 8 amplifiers, β is the transmission coefficient of the quadratic detector, k is the Boltzmann constant,
Figure 00000004
and
Figure 00000005
- working bands of the first and second band-pass filters, T W - effective temperature of the intrinsic noise brought to the input of the first high-frequency amplifier, T SN - noise temperature of the matched load 15, T a - noise temperature of the antenna 1.

Выражение, согласно которому выполняется условие нулевого баланса (равенство вольт-секундных площадей отрицательного и положительного импульсов), записывается следующим образом:The expression according to which the condition of zero balance is fulfilled (equality of volt-second areas of negative and positive impulses) is written as follows:

Figure 00000006
Figure 00000006

Левая часть выражения (5) определяет вольт-секундную площадь положительного импульса, правая - вольт-секундную площадь отрицательного импульса.The left side of expression (5) determines the volt-second area of a positive pulse, the right - volt-second area of a negative pulse.

Подставляя выражения для уровней сигналов (2), (3), (4) в (5), после преобразований и сокращений и решая относительно длительности широтно-импульсного сигнала, получим:Substituting the expressions for signal levels (2), (3), (4) in (5), after transformations and abbreviations and deciding on the duration of the pulse-width signal, we obtain:

Figure 00000007
Figure 00000007

Учитывая равенство (1), после подстановки в (6) вместо

Figure 00000008
значения
Figure 00000009
окончательно получим:Given equality (1), after substituting in (6) instead of
Figure 00000008
values
Figure 00000009
we finally get:

Figure 00000010
Figure 00000010

Выражение (8) устанавливает линейную связь шумовой температуры антенны с длительностью сигнала широтно-импульсной модуляции. Следовательно, через эту длительность можно косвенно определить сигнал антенны. Результаты измерений шумовой температуры антенны не зависят от коэффициента передачи усилителей и собственных шумов радиометра.Expression (8) establishes a linear relationship of the noise temperature of the antenna with the duration of the pulse width modulation signal. Therefore, through this duration, the antenna signal can be indirectly determined. The measurement results of the antenna noise temperature are independent of the gain of the amplifiers and the intrinsic noise of the radiometer.

Из (7) измеряемый сигнал антенны равен:From (7) the measured signal of the antenna is equal to:

Figure 00000011
Figure 00000011

Подстановкой в выражение (8) длительности сигнала tшим равной tаим и нулю определим динамический диапазон измерений шумовой температуры антенны, который составит от 0 Кельвина до шумовой температуры согласованной нагрузки Tсн, равной ее термодинамической температуре.Substitution in expression (8) the duration t of the signal PWM and PAM t equal zero define the dynamic range of measurements of the antenna noise temperatures which range from 0 Kelvin to noise matched load temperature T CH, equal to its thermodynamic temperature.

Блок управления 12 в радиометре вырабатывает все необходимые для функционирования сигналы. В нулевом радиометре осуществляется следящий режим работы и автоматическое поддержание нулевого баланса. Как следует из вышеприведенного описания принципа работы, необходимым условием нулевого приема является поддержание на входе компаратора 11 нулевого напряжения в фазу высокого уровня управляющего сигнала tаим (второй полупериод модуляции - уровень С). После анализа выходного сигнала компаратора блок управления корректирует цифровой код длительности широтно-импульсного сигнала tшим, что приводит к ее изменению в следующем полупериоде модуляции. Цифровой код длительности широтно-импульсного сигнала является цифровым эквивалентом измеряемого сигнала антенны и поступает на выходную шину 14 блока управления 12.The control unit 12 in the radiometer generates all the signals necessary for functioning. In the zero radiometer, a follow-up mode of operation and automatic maintenance of zero balance are carried out. As follows from the above description of the principle of operation, a necessary condition for zero reception is to maintain at the input of the comparator 11 zero voltage in the phase of the high level of the control signal t aim (the second half-period of modulation is level C). After analyzing the output signal of the comparator control unit adjusts the digital code duration of the pulse width signal PWM t, which leads to change it in the next half-cycle modulation. The digital code for the width of the pulse-width signal is the digital equivalent of the measured signal of the antenna and is fed to the output bus 14 of the control unit 12.

В нулевом радиометре блок управления выполнен на базе дискретных логических элементов, хотя для этого также могут быть использованы программируемые логические схемы, микроконтроллеры. В литературе с достаточной полнотой описаны конструкции и методы расчетов высокочастотных переключателей и усилителей, например [Гвоздев В.И., Нефедов Е.И, Объемные интегральные схемы СВЧ. - М.: Наука. - 1985 - 256 с.; Соколов М.А. Проектирование радиолокационных приемных устройств. - М.: Высшая школа. - 1984 - 256 с.]. Полосно-пропускающие фильтры выполнены на четвертьволновых резонаторах с торцевой связью [Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи, Т. 2. - М.: Связь. - 1972. 313 с.]. Синхронные фильтры низкой частоты описаны в [Фрейтер. Синхронный интегратор и демодулятор // Приборы для научных исследований. - 1965. - Т. 36, №5. - С. 53].In the zero radiometer, the control unit is based on discrete logic elements, although programmable logic circuits and microcontrollers can also be used for this. In the literature, constructions and calculation methods for high-frequency switches and amplifiers are described with sufficient completeness, for example [Gvozdev V.I., Nefedov E.I., Volumetric integrated circuits microwave. - M .: Science. - 1985 - 256 s .; Sokolov M.A. Design of radar receiving devices. - M .: Higher school. - 1984 - 256 p.]. Bandpass filters are made on quarter-wave resonators with end coupling [Mattei DL, Young L., Jones E.M. Microwave filters, matching circuits and communication circuits, T. 2. - M .: Communication. - 1972. 313 p.]. Synchronous low-pass filters are described in [Frater. Synchronous integrator and demodulator // Devices for scientific research. - 1965. - T. 36, No. 5. - S. 53].

Таким образом, предложенная схема радиометра и реализованный в нем принцип нулевого приема позволили отказаться от использования полупроводникового генератора шума, что в результате упростило входную часть радиометра при сохранении преимуществ нулевого метода измерений, таких как устранение влияния на точность измерений двух основных дестабилизирующих факторов - дрейфа и флуктуаций коэффициента усиления и собственных шумов.Thus, the proposed radiometer scheme and the principle of zero reception implemented in it made it possible to abandon the use of a semiconductor noise generator, which as a result simplified the input part of the radiometer while maintaining the advantages of the zero measurement method, such as eliminating the influence on the measurement accuracy of two main destabilizing factors - drift and fluctuations gain and own noise.

Claims (1)

Нулевой радиометр, содержащий антенну, первый и второй высокочастотные переключатели, последовательно соединенные импульсный усилитель, фильтр высоких частот, синхронный фильтр низких частот, компаратор, блок управления, первый, второй и третий выходы которого подключены соответственно к управляющим входам синхронного фильтра низких частот, первого и второго высокочастотных переключателей, а четвертый выход является выходной шиной радиометра, общая шина которого соединена со вторым входом компаратора, термостатированную плату, на которой установлен и находится с ней в тепловом контакте первый высокочастотный переключатель, отличающийся тем, что дополнительно введены установленная на термостатированной плате и находящаяся с ней в непосредственном тепловом контакте согласованная нагрузка, соединенная с первым входом первого высокочастотного переключателя, второй и третий входы которого подключены соответственно к высокочастотному короткозамыкателю и антенне, а выход через первый высокочастотный усилитель соединен с входом второго высокочастотного переключателя, первый и второй выходы которого через первый и второй полосно-пропускающие фильтры соответственно соединены с первым и вторым входами третьего высокочастотного переключателя, выход которого через последовательно соединенные второй высокочастотный усилитель и квадратичный детектор подключен к входу импульсного усилителя, причем управляющие входы второго и третьего высокочастотных переключателей объединены вместе.A zero radiometer containing an antenna, first and second high-frequency switches, a serially connected pulse amplifier, a high-pass filter, a synchronous low-pass filter, a comparator, a control unit, the first, second, and third outputs of which are connected respectively to the control inputs of a synchronous low-pass filter, the first and the second high-frequency switch, and the fourth output is the output bus of the radiometer, the common bus of which is connected to the second input of the comparator, a thermostatic board, on the first high-frequency switch is installed and is in thermal contact with it, characterized in that a coordinated load connected to the first input of the first high-frequency switch, the second and third inputs of which are connected respectively to high-frequency short-circuit and antenna, and the output through the first high-frequency amplifier is connected to the input of the second high-frequency switch Yelow, the first and second outputs of which through the first and second bandpass filters are respectively connected to the first and second inputs of the third high-frequency switch, the output of which is connected in series through the second high-frequency amplifier and the quadratic detector to the input of the pulse amplifier, the control inputs of the second and third high-frequency switches combined together.
RU2016109667A 2016-03-17 2016-03-17 Zero radiometer RU2619841C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016109667A RU2619841C1 (en) 2016-03-17 2016-03-17 Zero radiometer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016109667A RU2619841C1 (en) 2016-03-17 2016-03-17 Zero radiometer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2619841C1 true RU2619841C1 (en) 2017-05-18

Family

ID=58716190

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016109667A RU2619841C1 (en) 2016-03-17 2016-03-17 Zero radiometer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2619841C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2698488C1 (en) * 2019-02-01 2019-08-28 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Zero radiometer
RU2745796C1 (en) * 2020-04-03 2021-04-01 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) Fast zero radiometer
RU206176U1 (en) * 2020-09-15 2021-08-26 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации READER FOR RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION SYSTEMS OF MOTOR VEHICLES AND THEIR COMPONENTS
RU2763694C1 (en) * 2021-02-17 2021-12-30 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» Radiothermometer

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2211952A (en) * 1987-11-05 1989-07-12 Secr Defence Radiometers
SU1704107A1 (en) * 1989-06-22 1992-01-07 Читинский институт природных ресурсов СО АН СССР Zero radiometer
RU2093845C1 (en) * 1992-08-05 1997-10-20 Читинский институт природных ресурсов СО РАН Zero radiometer
RU2235340C1 (en) * 2003-01-17 2004-08-27 Институт мерзлотоведения им. акад. П.И. Мельникова объединенного Института мерзлотоведения и освоения природных ресурсов криолитозоны СО РАН Null radiometer
EP1739867A1 (en) * 2005-07-01 2007-01-03 Research In Motion Limited Determination of antenna noise temperature for handheld wireless devices
RU2439594C1 (en) * 2010-06-01 2012-01-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) Zero radiometer
RU2460081C2 (en) * 2010-11-23 2012-08-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) Multichannel null radiometer

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2211952A (en) * 1987-11-05 1989-07-12 Secr Defence Radiometers
SU1704107A1 (en) * 1989-06-22 1992-01-07 Читинский институт природных ресурсов СО АН СССР Zero radiometer
RU2093845C1 (en) * 1992-08-05 1997-10-20 Читинский институт природных ресурсов СО РАН Zero radiometer
RU2235340C1 (en) * 2003-01-17 2004-08-27 Институт мерзлотоведения им. акад. П.И. Мельникова объединенного Института мерзлотоведения и освоения природных ресурсов криолитозоны СО РАН Null radiometer
EP1739867A1 (en) * 2005-07-01 2007-01-03 Research In Motion Limited Determination of antenna noise temperature for handheld wireless devices
RU2439594C1 (en) * 2010-06-01 2012-01-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) Zero radiometer
RU2460081C2 (en) * 2010-11-23 2012-08-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) Multichannel null radiometer

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2698488C1 (en) * 2019-02-01 2019-08-28 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Zero radiometer
RU2745796C1 (en) * 2020-04-03 2021-04-01 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) Fast zero radiometer
RU206176U1 (en) * 2020-09-15 2021-08-26 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации READER FOR RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION SYSTEMS OF MOTOR VEHICLES AND THEIR COMPONENTS
RU2763694C1 (en) * 2021-02-17 2021-12-30 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» Radiothermometer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2619841C1 (en) Zero radiometer
Tiuri Radio astronomy receivers
US2678581A (en) Signal comparison apparatus
RU2642475C2 (en) Zero radiometer
US3634767A (en) Radiometer detector circuit
RU2439594C1 (en) Zero radiometer
RU2485462C2 (en) Radiometer for measurement of depth temperatures of objects (radio thermometer)
Ubaichin et al. Dynamics of internal thermal processes in dielectric materials and the method of its measurement in microwave hyperspectral mode
RU2460081C2 (en) Multichannel null radiometer
RU2698488C1 (en) Zero radiometer
RU2393502C1 (en) Two-channel null radiometre
Upton et al. Low power radiometric partial discharge sensor using composite transistor-reset integrator
RU2510513C2 (en) Radiometer with three-point modulation
RU2431856C1 (en) Radiometre to analyse objects adjoining antenna
RU2745796C1 (en) Fast zero radiometer
RU2574331C1 (en) Multi-receiver radiometer for measuring abyssal temperature of object (radio thermometer)
RU2439595C1 (en) Radiometric reflection coefficient meter
Aluigi et al. Impact of switching on design of Ka-band SoC Dicke radiometer for space detection of solar flares
RU2763694C1 (en) Radiothermometer
RU2235340C1 (en) Null radiometer
RU101842U1 (en) BROADBAND RADIOMETER WITH RADIO INTERFERENCE SELECTION
SU1626210A1 (en) Modulation radiometer
RU2211455C1 (en) Radiometer
RU2541426C1 (en) Multi-receiver zero radiometer
RU2093845C1 (en) Zero radiometer

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190318

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20200818

PD4A Correction of name of patent owner
PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20210329