CZ304613B6

CZ304613B6 - Systém pro vektorové měření intenzity elektromagnetického pole

Info

Publication number: CZ304613B6
Application number: CZ2013-396A
Authority: CZ
Inventors: Karel Hoffmann
Original assignee: České Vysoké Učení Technické V Praze, Fakulta Elektrotechnická
Priority date: 2013-05-29
Filing date: 2013-05-29
Publication date: 2014-07-30
Also published as: EP2811307A1; CZ2013396A3; EP2811307B1

Abstract

Systém pro vektorové měření intenzity elektromagnetického pole obsahující dva mikrovlnné generátory (1) a (11) s koherentními signály s možností nastavovat na jejich výstupech fázový posuv a amplitudu těchto signálů. Výstup prvního mikrovlnného generátoru (1) je připojen na vstup vysílací antény (4) testovacího kanálu a výstup druhého mikrovlnného generátoru (11) je spojen s vysílací anténou (6) referenčního kanálu. Jinou možností je, že je využit jeden mikrovlnný generátor (1), jehož mikrovlnný výstup je připojen na vstup (31) děliče (3) výkonu majícího první výstup (32) připojený na vstup vysílací antény (4) testovacího kanálu a druhý výstup (33) děliče (3) výkonu na vstup bloku (5) řízení fáze a/nebo amplitudy, jehož výstup je spojen s vysílací anténou (6) referenčního kanálu. Elektromagnetické pole vyzářené vysílací anténou (4) testovacího kanálu ozařuje přijímací anténní řadu (8) nebo ozařuje zkoumaný objekt (7) od něhož se odráží, prochází skrz nebo se rozptyluje a následně ozařuje přijímací anténní řadu (8) současně ozařovanou elektromagnetickým polem vyzářeným vysílací anténou (6) referenčního kanálu.

Description

Předkládané řešení se týká zapojení měřicího systému pro vektorové měření rozložení intenzity elektromagnetického pole ve volném prostoru.

Dosavadní stav techniky

V aktivních zobrazovacích systémech v oblasti mikrovln až sub-milimetrových vln je zejména pro bezpečnostní aplikace nezbytné v reálném čase získávat vektorová data o rozložení intenzity elektromagnetického pole na vhodné ploše nebo ve vhodném prostoru, které obsahuje informace o zkoumané osobě nebo předmětu (zkoumaného objektu). Obraz zkoumaného objektu je pak možné získat z vektorové informace o rozložení intenzity elektromagnetického pole holografickou technikou nebo technikou syntetické apertury bez nutnosti použití čoček či reflektorů pro zaostření. Veškeré zaostřování je provedeno matematicky technikou počítačové rekonstrukce obrazu.

Prostorové rozložení intenzity elektromagnetického pole lze změřit vektorově sondou připojenou k vektorovému analyzátoru obvodů (VNA), jejíž poloha se v daném prostoru mění. VNA zaznamenává hodnoty amplitudy a fáze intenzity elektromagnetického pole v jednotlivých bodech. Toto řešení vyžaduje umístění sondy na mechanický polohovací systém. Měření je nutně pomalé a není proto použitelné např. pro zobrazovací systémy pracující v reálném čase.

Pro aktivní zobrazovací systémy pracující v reálném čase byly proto na jejich přijímací straně vyvinuty jednorozměrné anténní řady mechanicky skenující druhý rozměr nebo přímo dvourozíměmé anténní řady, jak je uvedeno v D. M. Sheen, D. L. McMakin, T. E. Halí „Three-Dimensional Millimeter-Wave Imaging for Concealed Weapon Detection,“ IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 49, pp. 1581-1592, September 2001 a v F. Friederich, W. Spiegel, M. Bauer, F. Meng, M. D. Thompson, S. Boppel, A. Lisauskas, B. Hils, G. Spickermann, P. H. Bolívar, H. G. Roskos, „Thy Active Imaging Systems with Real-Time Capabilities,“ IEEE Trans. Terahertz Science and Technology, vol. 1, No. 1, pp. 183-200, September 2011.

Každý z prvků těchto anténních řad má za přijímací anténou zapojen směšovač, na který je přiveden signál z místního oscilátoru. Anténní řada tedy vyžaduje přivedení signálu z místního oscilátoru ke každému jejímu prvku. Přijímací část zobrazovacího systému proto musí obsahovat příslušný počet nejčastěji binárních děličů výkonu, které signál z místního oscilátoru postupně rozdělí až ke směšovačům jednotlivých antén. Ze směšovačů se pak odvádí mezifrekvenční signál nesoucí informaci o amplitudě a fázi intenzity elektromagnetického pole v místě antény k dalšímu zpracování. Nevýhoda tohoto konstrukčního řešení spočívá v nutnosti použít v závislosti na počtu prvků anténní řady větší počet děličů výkonu, které zanášejí do rozdělování výkonu oscilátoru nežádoucí ztráty. Ty jsou případně kompenzovány zesilovačem před každým směšovačem. Systém je složitý a tím i drahý. Zejména v oblasti sub-milimetrových vln je cena velmi významným faktorem. Přijímací anténní matice proto často obsahuje pouze malý počet prvků a patřičného rozlišení se dosahuje doplněním systému o mechanicky rozmítaná zrcadla.

Existuje i další možnost zpracování signálu z jednotlivých antén anténní řady. Signály z jednotlivých antén jsou postupně připojovány na vstup VNA prostřednictvím elektronicky přepínaných mikrovlnných přepínačů, jak je uvedeno v publikaci Zela J., Hoffman K., Hudec P., „Errors in Measurement of Microwave Interferograms Using Antenna Matrix“, Radioengineering, vol. 17, No. 2, September 2008, pp. 25-32. Systém však vyžaduje velmi pracnou kalibraci aje použitelný jen na nižších mikrovlnných kmitočtech, kde jsou dostupné potřebné přepínače. Společnou nevýhodou s výše uvedeným konstrukčním řešením je pak složitost a nákladnost.

- 1 CZ 304613 B6

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody odstraňuje systém pro vektorové měření intenzity elektromagnetického pole podle předkládaného řešení, jehož součástí jsou vysílací anténa, mikrovlnný generátor a anténní řada přijímacích antén, kde výstupy jednotlivých antén přijímací anténní řady jsou přes výkonové senzory spojeny přímo nebo přes blok přepínačů s A/D převodníkem propojeným s počítačem pro řízení bloku přepínačů. Podstatou nového řešení je vytvoření dvou kanálů se dvěma vysílacími anténami. Jeden kanál je testovací kanál s vysílací anténou testovacího kanálu připojenou na mikrovlnný výstup mikrovlnného generátoru přes první výstup děliče výkonu. Druhý kanál je referenční s vysílací anténou referenčního kanálu. Vysílací anténa referenčního kanálu je připojená na mikrovlnný výstup mikrovlnného generátoru přes druhý výstup děliče výkonu. Mezi první výstup děliče výkonu a vysílací anténu testovacího kanálu a/nebo mezi druhý výstup děliče výkonu a vysílací anténu referenčního kanálu je zapojen blok řízení fáze a/nebo amplitudy. Vysílací anténa testovacího kanálu, vysílací anténa referenčního kanálu a přijímací anténní řada jsou prostorově umístěny v jednom z následujících uspořádání. V jednom jsou vyzařovací charakteristika vysílací antény testovacího kanálu a vyzařovací charakteristika vysílací antény referenčního kanálu orientovány ve směru na přijímací anténní řadu a současně vyzařovací charakteristika přijímací anténní řady je orientována ve směru na vysílací anténu testovacího kanálu a na vysílací anténu referenčního kanálu. Ve druhém uspořádání je vyzařovací charakteristika vysílací antény testovacího kanálu orientována ve směru na zkoumaný objekt a vyzařovací charakteristika vysílací antény referenčního kanálu je orientována ve směru na přijímací anténní řadu a vyzařovací charakteristika přijímací anténní řady je orientována ve směru na zkoumaný předmět a vysílací anténu referenčního kanálu.

Ve výhodném provedení je blok řízení fáze a/nebo amplitudy propojen s počítačem. Mikrovlnný generátor je s výhodou přeladitelný.

Druhé možné provedení téhož systému je, že je tvořen opět testovacím kanálem s vysílací anténou testovacího kanálu a referenčním kanálem s vysílací anténou referenčního kanálu. Vysílací anténa testovacího kanálu je připojena na mikrovlnný výstup prvního mikrovlnného generátoru a vysílací anténa referenčního kanálu je připojená na mikrovlnný výstup druhého mikrovlnného generátoru, jehož signál je koherentní se signálem prvního mikrovlnného generátoru. První a druhý mikrovlnný generátor jsou propojeny s blokem pro řízení vzájemného fázového posuvu a amplitudy koherentních signálů s možností nastavovat vzájemný fázový posuv a amplitudu těchto koherentních signálů počítačem. Opět je možné dvojí uspořádání vysílacích a přijímacích antén. V prvním jsou vysílací anténa testovacího kanálu, vysílací anténa referenčního kanálu a přijímací anténní řada prostorově umístěny tak, že vyzařovací charakteristika vysílací antény testovacího kanálu a vyzařovací charakteristika vysílací antény referenčního kanálu jsou orientovány ve směru na přijímací anténní řadu a současně vyzařovací charakteristika přijímací anténní řady je orientována ve směru na vysílací anténu testovacího kanálu a vysílací anténu referenčního kanálu. Ve druhém uspořádání je vyzařovací charakteristika vysílací antény testovacího kanálu orientována ve směru na přijímací anténní řadu a zároveň je vyzařovací charakteristika přijímací anténní řada orientována ve směru na zkoumaný předmět a vysílací anténu referenčního kanálu. Je výhodné, jsou-li první i druhý mikrovlnný generátor přeladitelné.

Výhodou tohoto řešení zapojení je, že umožňuje vektorové měření intenzity elektromagnetického pole bez nutnosti rozvádět mikrovlnný signál místního oscilátoru ke směšovačům jednotlivých antén přijímací anténní řady prostřednictvím mikrovlnné obvodové struktury z mnoha děličů výkonu, jak je to nutné u stávajících měřicích systémů. Přijímací anténní řadu tak lze realizovat jednodušeji a levněji.

-2CZ 304613 B6

Přehled obrázků na výkresech

Na obr. 1 je uvedeno principiální schéma jednoho možného provedení systému a na obr. 2 je principiální schéma druhého možného provedení uvedeného systému.

Příklad provedení vynálezu

Jeden možný příklad zapojení systému pro vektorové měření intenzity elektromagnetického pole je uveden na obr. 1. Zapojení je zde tvořeno mikrovlnným generátorem 1, který je s výhodou přeladitelný. Jeho řízení může být manuální, ale v praxi bude dána přednost řízení počítačem 2. Mikrovlnný generátor i je svým mikrovlnným výstupem připojen na vstup 31 děliče výkonu 3. První výstup 32 děliče 3 výkonu je přes blok 5 řízení fáze a/nebo amplitudy s výhodou řízeným počítačem 2 spojen s vysílací anténou 6 referenčního kanálu 6. Elektromagnetické pole vyzářené vysílací anténou 4 testovacího kanálu se odráží od zkoumaného objektu 7, přičemž při jiném možném prostorovém uspořádání prochází či se rozptyluje zkoumaným objektem 7, a dopadá na jednotlivé přijímací antény anténní řady 8 přijímacích antén. Znamená to tedy, že vyzařovací charakteristika vysílací antény 4 testovacího kanálu je orientována ve směru na zkoumaný objekt 7 a vyzařovací charakteristika přijímací anténní řady 8 je orientována také ve směru na zkoumaný objekt 7. Na výstupu z—té přijímací antény anténní řady 8 přijímacích antén pak vytvoří signál a, = \ai\é^(<pai>, j=l...n, kde n počet přijímacích antén anténní řady 8 přijímacích antén. Současně každá z-tá přijímací anténa anténní řady 8 přijímá koherentní elektromagnetické pole vyslané vysílací anténou 6 referenčního kanálu, který na jejím výstupu vytvoří signál Z>, = \bi\e!^(,pai). Znamená to tedy, že vyzařovací charakteristika vysílací antény 6 referenčního kanálu je orientována ve směru na přijímací anténní řadu 8 a vyzařovací charakteristika přijímací antény řady 8 je orientována ve směru na vysílací anténu 6 referenčního kanálu. Výstup každé přijímací antény je připojen na výkonový senzor Dj, například na detektor a měřený přijatý výkon je určený vztahem:

P, = \a> + b,\² (1).

Příslušné ss napětí na výstupu každého detektoru D; je pak prostřednictvím bloku 9 přepínačů řízeného počítačem 2 postupně přiváděno na A/D převodník 10 spojený s počítačem 2.

Měřený výkon P[ závisí na amplitudách signálů |<2, | a |ů,j a na jejich vzájemné fázi dané:

Δφ, = φ_α, - (2).

Fázi referenčního signálu cp_bl a/nebo amplitudu |ů,| lze měnit definovaným způsobem pomocí bloku 5 řízení fáze a/nebo amplitudy. Každému jeho nastavení odpovídá jedna rovnice (1). Minimálně čtyři různé rovnice (1) jsou třeba pro jednoznačné určení signálu a, = a tím i amplitudy a fáze měřené intenzity elektromagnetického pole v místě přijímací antény, metodikou odpovídající Engen, G. F., „The Six-Port Reflectometer: An Alternativě Network Analyzer,“ IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 25, pp. 1075-1080, December 1997 nebo Oldfield, L., C„ Ide, J. P., and Griffin, E. J. „A Multistate reflectometer“, IEEE Trans. IM., vol. 34, No. 2, pp. 198-201, June 1985 pomocí počítače 2. Větší počet měření pro různá nastavení bloku 5 řízení fáze a/nebo amplitudy s výhodou zvyšuje robustnost měření. Robustnost měření také zvyšuje měření na více frekvencích mikrovlnného generátoru i.

Další možné konstrukční řešení má blok 5 řízení fáze a/nebo amplitudy zapojený mezi prvním výstupem 32 děliče 3 výkonu a anténou 4 testovacího kanálu. Je možné také použít dva bloky 5 řízení fáze a/nebo amplitudy zapojené mezi výstupem 32 děliče 3 výkonu a anténou 4 testovacího kanálu a mezi druhým výstupem 33 děliče 3 výkonu a vysílací anténou 6 referenčního kanálu.

-3 CZ 304613 B6

Při jiném možném konstrukčním řešení vysílací anténa 6 referenčního kanálu přímo ozařuje přijímací anténní řadu 8, což tedy znamená, že vyzařovací charakteristika vysílací antény 6 referenčního kanálu je orientována ve směru na přijímací anténní řadu 8 a vyzařovací charakteristika přijímací anténní řady 8 je orientována ve směru na vysílací anténu 6 referenčního kanálu. Vysílací anténa 4 testovacího kanálu také přímo ozařuje přijímací anténní řadu 8, což tedy znamená, že vyzařovací charakteristika vysílací antény 4 testovacího kanálu je orientována ve směru na přijímací anténní řadu 8 a vyzařovací charakteristika přijímací anténní řady 8 je orientována ve směru na vysílací anténu 4 testovacího kanálu. Toto uspořádání je možno použít např. pro měření vlastností neznámé antény zapojené místo vysílací antény 4 testovacího kanálu.

Další možné konstrukční řešení používá místo jednoho mikrovlnného generátoru i systém dvou mikrovlnných generátorů J_ a 11 s koherentními signály na jejich výstupech s možností nastavovat vzájemný fázový posuv Δφ a amplitudu těchto signálů, viz obr. 2. Toto je umožněno tím, že mezi prvním mikrovlnným generátorem 1 a druhým mikrovlnným generátorem 11 je zařazen blok 12 pro řízení vzájemného fázového posuvu a amplitudy koherentních signálů s možností nastavovat vzájemný fázový posuv a amplitudu těchto koherentních signálů počítačem 2. Oba mikrovlnné generátory J_ a 11 mohou být s výhodou přeladitelné. První mikrovlnný generátor ije pak přímo spojen s vysílací anténou 4 testovacího kanálu a druhý mikrovlnný generátor 11 je přímo spojen s vysílací anténou 6 referenčního kanálu. Dělič 3 výkonu a blok 5 řízení fáze a/nebo amplitudy se pak nepoužije, protože jejich funkci přebírají přímo oba generátory 1 a 11.

Elektromagnetické pole vyzářené vysílací anténou 4 testovacího kanálu se odráží od zkoumaného objektu 7, při jiném možném prostorovém uspořádání prochází či se rozptyluje zkoumaným objektem 7, a dopadá na jednotlivé přijímací antény anténní řady 8 přijímacích antén. Znamená to tedy, že vyzařovací charakteristika vysílací antény 4 testovacího kanálu je orientována ve směru na zkoumaný objekt 7 a vyzařovací charakteristika přijímací anténní řady 8 je orientována také ve směru na zkoumaný objekt 7. Na výstupu z-té antény pak vytvoří signál a, = i=l,...n, kde n je počet přijímacích antén anténní řady 8. Současně každá z-tá přijímací anténa anténní řady 8 přijímá koherentní elektromagnetické pole vyslané vysílací anténou 6 referenčního kanálu, který na jejím výstupu vytvoří signál b, = \bi\é^(<pi). Znamená to tedy, že vyzařovací charakteristika vysílací antény 6 referenčního kanálu je orientována ve směru na přijímací anténu řadu 8 a vyzařovací charakteristika přijímací anténní řady 8 je orientována ve směru na vysílací anténu 6 referenčního kanálu. Výstup každé přijímací antény je připojen na výkonový senzor D„ například na detektor, a měřený přijatý výkon je určený vztahem:

Λ = \a_t + b,\² (3).

Příslušné ss napětí na výstupu každého detektoru D,_ je pak prostřednictvím bloku 9 přepínačů řízeného počítačem 2 postupně přiváděno na A/D převodník l_0 spojený s počítačem 2.

Měřený výkon F, závisí na amplitudách signálů |a,| a |b;| a na jejich vzájemném fázovém posuvu daném:

Δ(3, = φ_αι - (4).

Fázi referenčního signálu φι» a/nebo amplitudu |Z>,j lze měnit definovaným způsobem nastavením fázového posuvu Δφ mezi koherentními signály prvního mikrovlnného generátoru i a druhého mikrovlnného generátoru 11 změnou fáze a/nebo amplitudy signálu druhého mikrovlnného generátoru 11. Každému jeho nastavení odpovídá jedna rovnice (3). Minimálně čtyři různé rovnice (3) jsou třeba pro jednoznačné určení signálu a, = \a,\é^<<pai), a tím i amplitudy a fáze měřené intenzity elektromagnetického pole v místě přijímací antény, stejnou metodikou jako v předešlém případě, a to pomocí počítače 2. Větší počet měření pro různá nastavení bloku 12 řízení fáze a/nebo amplitudy s výhodou zvyšuje robustnost měření. Robustnost měření také zvyšuje měření na více frekvencích mikrovlnných generátorů I a 11.

-4CZ 304613 B6

V jiném možném uspořádání jsou funkce generátorů j_ a 11 prohozeny.

Je také možné řešení, při kterém se mění fáze a/nebo amplituda signálů obou mikrovlnných generátorů 1 a 11.

Vlastnosti měření systému byly experimentálně testovány ve frekvenčním pásmu 8 až 12 GHz. Fáze φ_α, byla změřena s odchylkou max. jednotek stupňů od měření pomocí vektorového analyzátoru obvodů Agilent E8364A.

Průmyslová využitelnost

Systém pro vektorové měření intenzity elektromagnetického poleje průmyslově využitelný všude tam, kde je třeba vektorově měřit prostorové rozložení elektromagnetického pole. Jedná se např. zobrazovací systém v oblasti mikrovln nebo mm vln. Další možnou aplikací je např. vektorové měření vyzařovacích charakteristik antén.

Claims

1. Systém pro vektorové měření intenzity elektromagnetického pole obsahující vysílací anténu (4), mikrovlnný generátor (1) a anténní řadu (8) přijímacích antén, kde výstupy jednotlivých antén přijímací anténní řady (8) jsou přes výkonové senzory (Dj) spojeny přímo nebo přes blok (9) přepínačů s A/D převodníkem (10) propojeným s počítačem (2) pro řízení bloku (9) přepínačů, vyznačující se tím, že je tvořen testovacím kanálem s vysílací anténou (4) testovacího kanálu připojenou na mikrovlnný výstup mikrovlnného generátoru (1) přes první výstup (32) děliče (3) výkonu a referenčním kanálem s vysílací anténou (6) referenčního kanálu, která je připojená na mikrovlnný výstup mikrovlnného generátoru (1) přes druhý výstup (33) děliče (3) výkonu, kde mezi první výstup (32) děliče (3) výkonu a vysílací anténu (4) testovacího kanálu a/nebo mezi druhý výstup (33) děliče (3) výkonu a vysílací anténu (6) referenčního kanálu je zapojen blok (5) řízení fáze a/nebo amplitudy, přičemž vysílací anténa (4) testovacího kanálu, vysílací anténa (6) referenčního kanálu a přijímací anténní řada (8) jsou prostorově umístěny tak, že vyzařovací charakteristika vysílací antény (4) testovacího kanálu a vyzařovací charakteristika vysílací antény (6) referenčního kanálu jsou orientovány ve směru na přijímací anténní řadu (8) a současně vyzařovací charakteristika přijímací anténní řady (8) je orientována ve směru na vysílací anténu (4) testovacího kanálu a na vysílací anténu (6) referenčního kanálu nebo vyzařovací charakteristika vysílací antény (4) testovacího kanálu je orientována ve směru na zkoumaný objekt (7) a vyzařovací charakteristika vysílací antény (6) referenčního kanálu je orientována ve směru na přijímací anténní řadu (8) a vyzařovací charakteristika přijímací anténní řady (8) je orientována ve směru na zkoumaný předmět (7) a vysílací anténu (6) referenčního kanálu.

2. Systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že blok (5) řízení fáze a/nebo amplitudy je propojen s počítačem (2).

3. Systém podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že mikrovlnný generátor (1) je přeladitelný.

4. Systém pro vektorové měření intenzity elektromagnetického pole obsahující vysílací anténu (4), mikrovlnný generátor (1) a anténní řadu (8) přijímacích antén a výstupy jednotlivých antén přijímací anténní řady (8) jsou přes výkonové senzory (Dj) spojeny přímo nebo přes blok (9) přepínačů sA/D převodníkem (10) propojeným s počítačem (2) pro řízení bloku (9) přepínačů,

-5CZ 304613 B6 vyznačující se tím, že je tvořen testovacím kanálem s vysílací anténou (4) testovacího kanálu připojenou na mikrovlnný výstup prvního mikrovlnného generátoru (1) a referenčním kanálem s vysílací anténou (6) referenčního kanálu, která je připojená na mikrovlnný výstup druhého mikrovlnného generátoru (11), jehož signál je koherentní se signálem prvního mikrovlnného generátoru (1), kde první mikrovlnný generátor (1) a druhý mikrovlnný generátor (11) jsou propojeny s blokem (12) pro řízení vzájemného fázového posuvu a amplitudy jejich koherentních signálů s možností nastavovat vzájemný fázový posuv a amplitudu těchto koherentních signálů počítačem (2), přičemž vysílací anténa (4) testovacího kanálu, vysílací anténa (6) referenčního kanálu a přijímací anténní řada (8) jsou prostorově umístěny tak, že vyzařovací charakteristika vysílací antény (4) testovacího kanálu a vyzařovací charakteristika vysílací antény (6) referenčního kanálu jsou orientovány ve směru na přijímací anténní řadu (8) a současně vyzařovací charakteristika přijímací anténní řady (8) je orientována ve směru na vysílací anténu (4) testovacího kanálu a vysílací anténu (6) referenčního kanálu nebo vyzařovací charakteristika vysílací antény (4) testovacího kanálu je orientována ve směru na zkoumaný objekt (7) a vyzařovací charakteristika vysílací antény (6) referenčního kanálu je orientována ve směru na přijímací anténní řadu (8) a vyzařovací charakteristika přijímací anténní řady (8) je orientována ve směru na zkoumaný předmět (7) a vysílací anténu (6) referenčního kanálu.

5. Systém podle nároku 4, vyznačující se tím, že první mikrovlnný generátor (1) i druhý mikrovlnný generátor (11) jsou přeladitelné.