RU2060507C1 - Frequency-modulated radiospectrometer - Google Patents

Frequency-modulated radiospectrometer Download PDF

Info

Publication number
RU2060507C1
RU2060507C1 SU5002395A RU2060507C1 RU 2060507 C1 RU2060507 C1 RU 2060507C1 SU 5002395 A SU5002395 A SU 5002395A RU 2060507 C1 RU2060507 C1 RU 2060507C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency
voltage
outputs
output
amplifier
Prior art date
Application number
Other languages
Russian (ru)
Inventor
А.Г. Кисляков
Е.И. Шкелев
Original Assignee
Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского
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 Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского filed Critical Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского
Priority to SU5002395 priority Critical patent/RU2060507C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2060507C1 publication Critical patent/RU2060507C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Superheterodyne Receivers (AREA)

Abstract

FIELD: radio measurement technology. SUBSTANCE: frequency-modulated radiospectrometer has antenna 1, high-frequency amplifier 2, mixer 3, intermediate-frequency amplifier 4, first, second, third local oscillators 5, 20, 21, first, second single-band mixers 6, 7, first, second band filters 8, 9, first second quadrature detectors 10, 11 subtraction unit 12, adding unit 13, first, second synchronous detectors 14, 15, modulating-frequency oscillator 16, recorder 17, DC amplifier 18, local oscillators control unit 19. Modulating-frequency oscillator 16 has sawtooth-voltage master oscillator whose reference output functions as second output of modulated- frequency oscillator 16 and is connected to second inputs of synchronous detectors 14, 15, master oscillator voltage amplifier, base-voltage clipper, peak-voltage clipper, voltage amplifier whose output functions as first output of modulating-frequency oscillator 16. Local oscillators control unit 19 has three adders, and subtracter whose combined first inputs function as input of local oscillators control unit 19, reference-voltage source, peak and base frequency deviation voltage amplifiers whose outputs function, respectively, as first and second outputs of local oscillators control unit 19 and are connected to reference outputs of clippers, first, second control units whose outputs function, respectively, as third and fourth outputs of local oscillators control unit 19. EFFECT: improved design. 3 dwg

Description

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для проведения прецизионных радиометрических измерений в миллиметровом диапазоне длин волн. The invention relates to a radio metering technique and can be used for precision radiometric measurements in the millimeter wavelength range.

Известен радиоспектрометр с частотной модуляцией, содержащий антенну, усилитель высокой частоты, смеситель, усилитель промежуточной частоты, первый и второй полосовые фильтры, первый и второй квадратичные детекторы, балансовое устройство, усилитель низкой частоты, синхронный детектор, фильтр низких частот, а также первый и второй гетеродины, переключатель гетеродинов и генератор модулирующей частоты. В указанном радиоспектрометре осуществляются частотная модуляция путем поочередного подключения гетеродинного входа смесителя к первому и второму гетеродинам через переключатель гетеродинов к первому и второму гетеродинам через переключатель гетеродинов с частотой, определяемой генератором модулирующей частоты. A known frequency-modulated radio spectrometer comprising an antenna, high-frequency amplifier, mixer, intermediate-frequency amplifier, first and second bandpass filters, first and second quadratic detectors, balance device, low-frequency amplifier, synchronous detector, low-pass filter, and also the first and second local oscillators, a local oscillator switch and a modulating frequency generator. In the indicated spectrometer, frequency modulation is carried out by alternately connecting the mixer heterodyne input to the first and second local oscillators through a local oscillator switch to the first and second local oscillators through a local oscillator switch with a frequency determined by the modulating frequency generator.

Спектр на выходе приемника с помощью двух полосовых фильтров, имеющих одинаковые полосы пропускания, разделяется на два разнесенных по частоте канала. Центральные частоты этих каналов выбираются так, чтобы в режиме переключения первого и второго гетеродинов исследуемый сигнал поступал то в первый, то во второй каналы. Периодические составляющие сигналов с выходов каналов поступают на балансное устройство, где вычитаются. В результате радиоспектрометр измеряет излучение наблюдаемой линии в течение всего времени наблюдения, что позволяет повысить его чувствительность в

Figure 00000002
раза с вравнении со случаем амплитудной модуляции сигнала на входе редиометра.The spectrum at the receiver output using two bandpass filters having the same bandwidth is divided into two channels spaced apart in frequency. The center frequencies of these channels are selected so that, in the switching mode of the first and second local oscillators, the signal under investigation arrives in the first or second channel. The periodic components of the signals from the outputs of the channels are fed to a balanced device, where they are subtracted. As a result, the radiospectrometer measures the radiation of the observed line throughout the entire observation time, which makes it possible to increase its sensitivity in
Figure 00000002
times compared with the case of amplitude modulation of the signal at the input of the rediometer.

Применение частотной модуляции в указанном устройстве при работе в СВЧ- и особенно в миллиметровом диапазонах влечет появление так называемых "ложных" сигналов. В антенне, антенном фидере и входном тракте радиометра неизбежно возникновение отражений волн на сочленениях, элементах тракта и т. п. В результате на вход приемника поступают частично когерентные волны с различным запаздыванием, а изменение частоты гетеродина приводит к изменению условий интерференции и, следовательно, к изменению выходного напряжения и снижению точности измерений радиоспектрометра с частотной модуляцией. Последнее является его существенным недостатком. The use of frequency modulation in the specified device when operating in the microwave and especially in the millimeter ranges entails the appearance of so-called “false” signals. In the antenna, antenna feeder, and input path of the radiometer, wave reflections at joints, path elements, etc. are inevitable. As a result, partially coherent waves with different delays arrive at the receiver input, and a change in the local oscillator frequency leads to a change in the interference conditions and, therefore, to changing the output voltage and reducing the measurement accuracy of a frequency-modulated radio spectrometer. The latter is its significant drawback.

На фиг. 1 приведена структурная схема радиоспектрометра с частотной модуляцией; на фиг. 2 структурная схема блока управления гетеродинами (БУГ); на фиг. 3 структурная схема генератора модулирующей частоты (ГМЧ); на фиг. 4 частотная характеристика усилителя промежуточной частоты с указанием областей анализа посредством двух каналов, содержащих однополосные смесители с полосовыми фильтрами на выходах. In FIG. 1 shows a structural diagram of a frequency-modulated radio spectrometer; in FIG. 2 block diagram of the control unit local oscillators (BUG); in FIG. 3 is a structural diagram of a modulating frequency generator (GMC); in FIG. 4 frequency response of an intermediate-frequency amplifier with indication of the analysis areas through two channels containing single-band mixers with bandpass filters at the outputs.

Радиоспектрометр с частотной модуляцией содержит (см. фиг. 1) антенну 1, усилитель 2 высокой частоты 2, смеситель 3, усилитель 4 промежуточной частоты (УПЧ), первый гетеродин 5, первый, второй однополосные смесители 6, 7, первый, второй полосовые фильтры 8, 9, первый, второй квадратичные детекторы 10, 11, блок вычитания 12, блок суммирования 13, первый, второй синхронные детекторы (СД) 14, 15, генератор модулирующей частоты (ГМЧ) 16, регистратор 17, усилитель постоянного тока (УПТ) 18, блок управления гетеродинами (БУГ) 19, второй гетеродин 20, третий гетеродин 21. A frequency-modulated radio spectrometer contains (see FIG. 1) an antenna 1, a high-frequency amplifier 2, a mixer 3, an intermediate-frequency amplifier (4), the first local oscillator 5, the first, second single-band mixers 6, 7, the first, second bandpass filters 8, 9, first, second quadratic detectors 10, 11, subtraction unit 12, summing unit 13, first, second synchronous detectors (SD) 14, 15, modulating frequency generator (GMP) 16, recorder 17, direct current amplifier (DC) 18, the control unit local oscillators (BUG) 19, the second local oscillator 20, the third local oscillator 21.

Первый, второй однополосные смесители 6 и 7 выполнены по схеме, содержащей два балансных смесителя, и устройства, обеспечивающего подавление зеркального канала. Блок вычитания 12 выполнен с подобранными соответствующим образом весовыми коэффициентами по двум его входам. Эти весовые коэффициенты равны весовым коэффициентам по соединенным с входами блока вычитания 12 двум входам блока суммирования 13. The first, second single-band mixers 6 and 7 are made according to the scheme containing two balanced mixers, and a device that provides suppression of the mirror channel. The subtraction unit 12 is made with appropriately selected weighting coefficients for its two inputs. These weighting factors are equal to the weighting factors connected to the inputs of the subtraction unit 12 to the two inputs of the summing unit 13.

Блок управления гетеродинами БУГ 19 (см. фиг. 2) содержит первый, второй, третий сумматоры 22-24, вычитатель 25, источник постоянного напряжения 26, усилитель 27 напряжения верхней границы девиации частоты, усилитель 28 напряжения нижней границы девиации частоты, первый, второй блоки управления 29, 30. The local oscillator control unit BUG 19 (see Fig. 2) contains the first, second, third adders 22-24, a subtractor 25, a constant voltage source 26, an amplifier 27 for the voltage of the upper boundary of the frequency deviation, an amplifier 28 for the voltage of the lower boundary of the frequency deviation, first, second control units 29, 30.

Генератор модилирующей частоты ГМЧ 16 (см. фиг. 3) содержит задающий генератор 31 напряжения прямоугольной формы, усилитель напряжения задающего генератора 32, ограничитель 33 напряжения снизу, ограничитель 34 напряжения сверху, усилитель напряжения 35. The generator of the modulating frequency of the GMP 16 (see Fig. 3) comprises a rectangular voltage driver 31, a voltage amplifier 32 of the driver 32, a voltage limiter 33 from below, a voltage limiter 34 from above, and a voltage amplifier 35.

Выход усилителя напряжения 35 является первым выходом ГМЧ 16. Опорный выход задающего генератора 31 напряжения прямоугольной формы являетяс вторым выходом ГМЧ 16. Первый выход ГМЧ 16 подключен к входу первого гетеродина 5, а второй выход соединен с входом синхронных детекторов 14, 15. The output of the voltage amplifier 35 is the first output of the GMP 16. The reference output of the rectangular voltage driver 31 is the second output of the GMP 16. The first output of the GMP 16 is connected to the input of the first local oscillator 5, and the second output is connected to the input of synchronous detectors 14, 15.

Выходы усилителей 27, 28 являются первым и в торым выходами БУГ 19 и подключены соответственно к опорным входам ограничителей 33, 34, являющихся первым и вторым входами ГМЧ 16. The outputs of the amplifiers 27, 28 are the first and second outputs of the BUG 19 and are connected respectively to the reference inputs of the limiters 33, 34, which are the first and second inputs of the GMP 16.

Первые входы первого, второго, третьего сумматора 22, 23, 24 и вычитателя 25 являются входом БУГ 19, который подключен к выходу УПТ 18. The first inputs of the first, second, third adder 22, 23, 24 and subtractor 25 are the input BUG 19, which is connected to the output of the UPT 18.

Выходы первого, второго блоков управления 29, 30 являются третьим и четвертым выходами БУГ 19 и подключены соответственно к второму и третьему гетеродинам 20, 21. The outputs of the first, second control units 29, 30 are the third and fourth outputs of BUG 19 and are connected respectively to the second and third local oscillators 20, 21.

Радиоспектрометр с частотной модуляцией работает следующим образом. A frequency-modulated radio spectrometer operates as follows.

Частотная модуляция сигнала на входе усилителя промежуточной частоты 4 осуществляется путем модуляции частоты fг1 первого гетеродина 15 по закону "меандра". При этом
f

Figure 00000003
= f0±
Figure 00000004
(1) где fо несущая частота;
ΔF девиация частоты.Frequency modulation of the signal at the input of the intermediate frequency amplifier 4 is carried out by modulating the frequency f g1 of the first local oscillator 15 according to the law of the "meander". Wherein
f
Figure 00000003
= f 0 ±
Figure 00000004
(1) where f is the carrier frequency;
ΔF frequency deviation.

Поскольку настройка радиометра при изменении fо не должна изменяться, возникает необходимость в соответствующем изменении частот fг2 и fг3 второго 20 и третьего 21 гетеродинов при сохранении равенств
l fг2-fг3 l ΔF
(fг2 + fг3)/2 f о пр + Δ fо fпр1 (2) где Δfо смещение частоты первого гетеродина 5;
f о пр1 первая промежуточная частота, равная центральной частоте УПЧ.
Since the radiometer setting should not change with a change in f о , there is a need for a corresponding change in the frequencies f g2 and f g3 of the second 20 and third 21 local oscillators while maintaining the equalities
lf g2 -f g3 l ΔF
(f g2 + f g3 ) / 2 f about etc + Δf about f CR1 (2) where Δf is the frequency offset of the first local oscillator 5;
f about pr1 the first intermediate frequency equal to the center frequency of the amplifier.

Несущая частота fо в формуле (1) задается уровнем среднего значения Uо от управляющих напряжений U1(t) и U2(t) на первом и втором входах генератора модулирующей частоты (ГМЧ) 16.The carrier frequency f about in the formula (1) is set by the level of the average value U about from the control voltages U 1 (t) and U 2 (t) at the first and second inputs of the modulating frequency generator (GMP) 16.

f0= f0(U0) f

Figure 00000005

(3)
Девиация частоты ΔF зависит от разности управляющих напряжений U1(t) и U2(t).f 0 = f 0 (U 0 ) f
Figure 00000005

(3)
The frequency deviation ΔF depends on the difference between the control voltages U 1 (t) and U 2 (t).

ΔF Δ F (U1-U2) (4)
Избирательность спектрорадиометра определяется первым 8 и вторым 9 настроенными на промежуточную частоту fпр2 (см. фиг. 4) полосовыми фильтрами 8 и 9 с полосовой пропускания Па. Частотный диапазон, в пределах которого возможна перестройка избирательной полосы (полосы анализа) Па, зависит от полосы пропускания П УПЧ 4. Управляя величиной ΔF и связанными с ней частотами fг2 и f г3 гетеродинов 20 и 21, можно перемещать полосу анализа Па. Если обратиться к фиг. 4, то такое перемещение Па есть следствие сближения или разъединения областей 1 и 2, выделяемых идентичными амплитудно-частотными характеристиками (АХЧ) полосовых фильтров 8 и 9 на выходах первого и второго однополосных смесителей 6, 7. Важно то, что области 1 и 2 расположены симметрично относительно первой промежуточной частоты fпр1 и их центральные частоты f1 и f2 отстоят от fпр1 на величину равную ΔF/2.
ΔF Δ F (U 1 -U 2 ) (4)
The selectivity of the spectroradiometer is determined by the first 8 and second 9 tuned to the intermediate frequency f CR2 (see Fig. 4) bandpass filters 8 and 9 with a passband P a . The frequency range in which the possible rearrangement selective band (band analysis) P a, P depends on bandwidth IF amplifier 4. By controlling the value of ΔF and the related frequencies f and f r2 r3 oscillators 20 and 21 can be moved and P band analysis. Referring to FIG. 4, then such a movement P a is a consequence of the approach or separation of regions 1 and 2, highlighted by the identical amplitude-frequency characteristics (AFC) of the bandpass filters 8 and 9 at the outputs of the first and second single-band mixers 6, 7. It is important that regions 1 and 2 are located symmetrically relative to the first intermediate frequency f CR1 and their center frequencies f 1 and f 2 are separated from f CR1 by an amount equal to ΔF / 2.

Изменения частоты первого гетеродина fг1 ведут к изменению условий интерференции отраженных от неоднородностей тракта волн и вследствие этого к непредсказуемым вариациям уровня сигнала на выходе УПЧ. Особенно это ощутимо в миллиметровом диапазоне волн, где к тому же могут иметь значение такие внешние факторы, как температура, влажность, механические воздействия, приводящие к изменениям электрической длины тракта. Кроме того, в миллиметровом диапазоне полоса приема П может составлять гигагерц, и для реализации радиометра с частотной модуляцией необходимы значения девиации частоты ΔF ≥П.Changes in the frequency of the first local oscillator f g1 lead to a change in the interference conditions of the waves reflected from the path inhomogeneities and, as a result, to unpredictable variations in the signal level at the output of the amplifier. This is especially noticeable in the millimeter wave range, where besides, external factors such as temperature, humidity, mechanical stresses that lead to changes in the electrical path length can be important. In addition, in the millimeter range, the reception band of P can be gigahertz, and for the implementation of a radiometer with frequency modulation, the frequency deviation ΔF ≥P is necessary.

Влияние несогласованности тракта существенно, если изменение частоты первого гетеродина 5 сопровождается дополнительным набегом фазы ΔΦ сравнимым или большим π/2. При электрической длине тракта l и девиации частоты ΔF. The influence of the path inconsistency is significant if the change in the frequency of the first local oscillator 5 is accompanied by an additional phase incursion ΔΦ of comparable or greater π / 2. With the electric path length l and frequency deviation ΔF.

ΔΦ 2

Figure 00000006
fo+
Figure 00000007
-2
Figure 00000008
fo-
Figure 00000009
(с скорость света). Отсюда следует, что для характерного значения ΔF/f0≃ 0,01(f0~(50 100)ГГц)ΔΦ ≳ π/2 при геометрической длине волноводного тракта
L ≃ l ≳ 12,5f0c 12,5λ где λ длина волны.ΔΦ 2
Figure 00000006
f o +
Figure 00000007
-2
Figure 00000008
f o -
Figure 00000009
(with the speed of light). It follows that for the characteristic value ΔF / f 0 ≃ 0.01 (f 0 ~ (50 100) GHz) ΔΦ ≳ π / 2 for the geometric length of the waveguide path
L ≃ l ≳ 12.5f 0 c 12.5λ where λ is the wavelength.

Возникающие при частотной модуляции погрешности можно исключить, если, не изменяя настройки радиоспектрометра, сместить несущую частоту fо первого гетеродина 5 в ту область, где интерференционные эффекты меньше всего проявлены или вызывают одинаковые приращения мощности сигнала ΔРс1 и ΔРс2 на входах полосовых фильтров 8 и 9. В последнем случае на выходе блока вычитания 12 приращения ΔРс1 и ΔРс2 будут скомпенсированы и на выходе первого синхронного детектора 14 будет напряжение, определяемое только разностью мощностей сигналов на выходах полосовых фильтров 8, 9, равной разности мощностей измеряемого сигнала и фонового излучения вне полосы анализа Па.Errors arising from frequency modulation can be eliminated if, without changing the settings of the radio spectrometer, the carrier frequency f о of the first local oscillator 5 is shifted to the region where interference effects are least manifested or cause the same signal power increments ΔР c1 and ΔР c2 at the inputs of bandpass filters 8 and 9. In the latter case the output of the subtracting unit 12 increment? P? P c1 and c2 will be compensated and the output of the first synchronous detector 14 will be a voltage determined only by the difference in signal power output olosovyh filters 8, 9, equal to the difference of the measured signal power and the background radiation outside the band analysis and n.

Выравниванию интерференционных эффектов на выходах полосовых фильтров 8 и 9 способствует следящая система (СС), составленная из блока суммирования 13, второго синхронного детектора 15, усилителя постоянного тока (УПТ) 18 с объектом регулирования в виде первого, второго и третьего гетеродинов 5, 2, 21, управляемых посредством блока управления гетеродинами (БУГ) 19. В систему управления первым гетеродином 5 входят также отдельные компоненты генератора модулирующей частоты 16. The equalization of interference effects at the outputs of the bandpass filters 8 and 9 is facilitated by a servo system (SS) composed of a summing unit 13, a second synchronous detector 15, a direct current amplifier (DC amplifier) 18 with an object of regulation in the form of the first, second, and third local oscillators 5, 2, 21, controlled by a control unit of local oscillators (BUG) 19. The control system of the first local oscillator 5 also includes individual components of the modulating frequency generator 16.

Режиму слежения всегда предшествует режим поиска частоты fо fоо, при которой обусловленные частотной модуляцией приращения мощностей сигналов на выходах полосовых фильтров 8 и 9 одинаковы, но становятся различными в случае отстройки от нее на величину δfо:
ΔРс1(fов) ΔРс2(fон) (5)
ΔРс1(fов + δfо) ΔРс1(fов) ( ΔРс2(fон + +δfо) ΔРс2(fон)) -(Δ Рс1(fов- δfо) -ΔРc1(fов) (6) или
ΔРс1(fон) ΔРс2(fов) (7)
ΔРс1(fон +δ fо) Δ Рс1(fон) ( ΔРс2(fов + +δfо) Рс2(fов)) ( ΔРс1(fон
δfо ) ΔРс1 (fон)), (8) где fов= foo+

Figure 00000010
и fон= foo-
Figure 00000011
соответственно верхнее и нижнее значения частоты fо.The tracking mode is always preceded by the frequency search mode f о f оо , at which the increments of the signal powers at the outputs of the bandpass filters 8 and 9, caused by frequency modulation, are the same, but become different in the case of detuning from it by δf о :
ΔP s1 (f s ) ΔP s2 (f he ) (5)
C1? P (f s + δf n)? P c1 (f s) (? P c2 (f He + + δf n)? P c2 (f He)) - (Δ P c1 (f OB of δf) -ΔR c1 (f s ) (6) or
ΔP s1 (f he) ΔP s2 (f s ) (7)
ΔP s1 (f he + δ f о) Δ P s1 (f he ) (ΔP s2 (f s + δf o ) P s2 (f s )) (ΔP s1 (f he
δf n)? P c1 (f He)), (8) where f s = f oo +
Figure 00000010
and f he = f oo -
Figure 00000011
respectively, the upper and lower values of the frequency f about .

Выполнение одного из соотношений (6) или (8) позволяет второму синхронному детектору 15 играть роль дискриминатора следящей системы (СС). Поскольку второй СД 15 в своем составе имеет фильтр нижних частот (интегратор) с достаточно большой временной постоянной, при которой объект регулирования можно считать безынерционным, то СС является следящей системой с астатизмом первого порядка. Равенство (5) или (7) (в зависимости от выбранной полосы захвата) фиксируется по смене знака показаний на регистраторе 17 при отсутствии сигнала на входе усилителя высокой частоты 2. The fulfillment of one of the relations (6) or (8) allows the second synchronous detector 15 to play the role of a discriminator of the tracking system (CC). Since the second SD 15 includes a low-pass filter (integrator) with a sufficiently large time constant at which the control object can be considered as inertialess, the SS is a tracking system with first-order astatism. Equality (5) or (7) (depending on the selected capture band) is fixed by changing the sign of the readings on the recorder 17 in the absence of a signal at the input of the high-frequency amplifier 2.

Режим поиска осуществляется путем смещения уровня выхода УПТ 18, приводящего к плавному в соответствии с формулой (3) изменению частоты fо и связанных с ней частот fг2 и fг3 второго и третьего гетеродинов 20 и 21. Фаза задающего генератора 31 в ГМЧ 16 (0 или π ) зависит от того, какие из двух соотношений (5) и (6) или (7) и (8) выполнены, и подбирается так, чтобы при входе в режим слежения обеспечивалось отслеживание изменений выбранной частоты fоо, т. е. чтобы второй СД 15 играл роль дискриминатора ошибки слежения fо fоо. В процессе измерения, когда на усилитель высокой частоты 2 подается сигнал с антенны 1, СС находится в режиме слежения.The search mode is carried out by shifting the output level of the CTF 18, which leads to a smooth change in frequency f о and associated frequencies f g2 and f g3 of the second and third local oscillators 20 and 21 in accordance with formula (3). The phase of the master oscillator 31 in the GMP 16 ( 0 or π) depends on which of the two relations (5) and (6) or (7) and (8) are satisfied, and is selected so that when entering the tracking mode, tracking of changes in the selected frequency f оо is provided, i.e. so that the second SD 15 plays the role of a discriminating tracking error f o f oo. In the measurement process, when a signal from antenna 1 is supplied to the high-frequency amplifier 2, the CC is in tracking mode.

Избирательность радиоспектрометра по основному каналу определяется полосой пропускания Па (см. фиг. 4) идентичных полосовых фильтров 8 и 9, включенных после соответствующих однополосных смесителей 6 и 7. Принимаемый в полосе анализа Па сигнал в зависимости от значения мгновенной частоты fг1 первого гетеродина 5 поочередно проходит то через первый, то через второй полосовые фильтры 8. 9. При этом полоса пропускания УПЧ 4 в несколько раз превышает полосу анализа Па (П > Па), что сделано с целью повышения точности анализа спектрального состава исследуемого излучения путем введения в радиоспектрометр элементов последовательного спектрального анализа, реализуемого посредством изменения девиации частоты ΔF и одновременного с ним изменения частот второго и третьего гетеродинов 20, 21 при сохранении соотношений (1). Отношение П/Па зависит от требуемой точности анализа. Изменение девиации частоты ΔF в соответствии с выражениями (3) и (4) происходит под действием напряжения U1Uo + UΔ на выходе первого сумматора 22 блока блока управления гетеродинами 19 (см. фиг. 2) и напряжения U2 Uo UΔна выходе вычитателя 25 (UΔ напряжение источника опорного напряжения 26, подаваемое на вторые первого сумматора 22 и вычитателя 25).Selectivity rf determined by the fundamental channel and the bandwidth P (see. FIG. 4) identical band pass filters 8 and 9 included after the respective single-sideband mixers 6 and 7. The reception in the band n and the signal analysis, depending on the values of the instantaneous frequency f r1 of the first local oscillator 5 alternately pass through the first, then through the second bandpass filter 8. 9. Thus passband IF amplifier 4 is several times the strip analysis and n (n> P a) that is made in order to increase the accuracy of the analysis of the spectral composition and Followed by introducing radiation into radio spectrometer elements sequential spectral analysis, implemented by changing the frequency deviation ΔF and simultaneously with it changes the frequency of the second and third local oscillators 20, 21 while maintaining the relations (1). The ratio P / P a depends on the required accuracy of the analysis. The change in the frequency deviation ΔF in accordance with expressions (3) and (4) occurs under the action of voltage U 1 U o + U Δ at the output of the first adder 22 of the control unit of the local oscillators 19 (see Fig. 2) and voltage U 2 U o U Δ at the output of the subtractor 25 (U Δ is the voltage of the reference voltage source 26 supplied to the second of the first adder 22 and the subtractor 25).

Напряжения U1 и U2 с выходов первого сумматора 22 и вычитателя 25 поступают соответственно на входы усилителей напряжения 27, 28 ΔF первого гетеродина 5 и далее после необходимого преобразования по уровню на опорные входы ограничителя 33 напряжения снизу и ограничителя 34 напряжения сверху в ГМЧ 16 (см. фиг. 3). На (сигнальные) первые входы ограничителей 33 и 34 поступает с усилителя напряжения задающего генератора 32 напряжения типа "меандр" задающего генератора 31 напряжения прямоугольной формы.The voltages U 1 and U 2 from the outputs of the first adder 22 and subtractor 25 are respectively supplied to the inputs of the voltage amplifiers 27, 28 ΔF of the first local oscillator 5 and then, after the necessary level conversion, to the reference inputs of the voltage limiter 33 from below and the voltage limiter 34 from above to the high-frequency generator 16 ( see Fig. 3). At the (signal) first inputs of the limiters 33 and 34 is supplied from the voltage amplifier of the master voltage generator 32 of the type "meander" of the master voltage generator 31 of a rectangular shape.

Таким образом, на выходе ограничителя 34 напряжения сверху будет напряжение, верхний уровень которого определяет верхнее значение мгновенной частоты fг1, а нижний ее нижнее значение. Такое соответствие устанавливается подбором величины UΔ напряжения источника опорного напряжения 26, коэффициентов передачи 27 и 28, а также коэффициента усиления и амплитудной характеристики усилителя напряжения 35 в БУГ 19. Конкретный вид амплитудной характеристики усилителя напряжения 35 зависит от типа используемого в качестве первого гетеродина 5 генератора и способа его перестройки.Thus, at the output of the voltage limiter 34, there will be a voltage from above, the upper level of which determines the upper value of the instantaneous frequency f g1 , and its lower lower value. This correspondence is established by selecting the voltage U Δ of the voltage of the reference voltage source 26, the transmission coefficients 27 and 28, as well as the gain and amplitude characteristics of the voltage amplifier 35 in the BUG 19. The specific form of the amplitude characteristics of the voltage amplifier 35 depends on the type of generator used as the first local oscillator 5 and how to rebuild it.

Напряжение с выходов первого сумматора 22 и вычитателя 25 в БУГ 19 подаются также на вторые входы соответственно второго и третьего сумматоров 23, 24, на соединенные вместе первые входы которых поступает напряжение регулирования с выхода УПТ 18. Далее напряжение U3 Uo + +UΔ+ αUо с выхода второго сумматора 23 и напряжение U4 Uo UΔ + βUо с выхода третьего сумматора 24, преобразованные в блоках управления 29 и 30, подаются соответственно на управляющие входы второго и третьего гетеродинов 20, 21. Весовые коэффициенты α и β по первым входам сумматоров 23 и 24, а также коэффициенты усиления и форма амплитудных характеристик блоков управления 29, 30 подбираются так, чтобы выполнялись соотношения (2). Перемещение полосы анализа Па (перестройка по частоте) возможно в пределах от
f

Figure 00000012
= fc+
Figure 00000013
до
f
Figure 00000014
= fc+
Figure 00000015
Figure 00000016
f
Figure 00000017
где fс fо + fпр или fс fо fпр1 (fпр1
Figure 00000018
fo-f
Figure 00000019
) в зависимости от вида преобразования с fпр1 fс fо или fпр1 fо fс;
Δfо смещение несущей частоты перевого гетеродина 5, отработанное системой слежения за равенством выходных напряжений на выходах синхронных детекторов 14, 15. Поэтому полоса пропускания УПЧ 4 должна выбираться с учетом не только спектральной ширины исследуемой области принимаемого излучения, но и возможных значений l Δfо l что приводит в результате к увеличению П. Изменение частоты настройки радиоспектрометра происходит под управлением источника опорного напряжения 26, имеющего для этого необходимые установочные элементы.The voltage from the outputs of the first adder 22 and subtractor 25 in the BUG 19 is also supplied to the second inputs of the second and third adders 23, 24, respectively, to the first inputs of which are connected together the control voltage from the output of the CTF 18. Further, the voltage U 3 U o + + U Δ + αU о from the output of the second adder 23 and voltage U 4 U o U Δ + βUо from the output of the third adder 24, converted in control units 29 and 30, are supplied respectively to the control inputs of the second and third local oscillators 20, 21. Weighting factors α and β on the first inputs of adders 23 and 24, and so the gain factors and the shape of the amplitude characteristics of the control units 29, 30 are selected so that relations (2) are satisfied. The movement of the analysis band Pa (frequency tuning) is possible in the range from
f
Figure 00000012
= f c +
Figure 00000013
before
f
Figure 00000014
= f c +
Figure 00000015
Figure 00000016
f
Figure 00000017
where f a f a + f f or a straight f about f pr1 (f pr1
Figure 00000018
f o -f
Figure 00000019
) depending on the type of transformation with f pr1 f s f o or f pr1 f o f s ;
Δf about the carrier frequency offset of the first local oscillator 5, worked out by the system for monitoring the equality of output voltages at the outputs of synchronous detectors 14, 15. Therefore, the passband of the IF 4 must be selected taking into account not only the spectral width of the studied region of the received radiation, but also the possible values of l Δf о l which results in an increase in P. A change in the tuning frequency of the radio spectrometer is controlled by a reference voltage source 26, which has the necessary mounting elements for this.

Напряжение с выходов полосовых фильтров 8, 9 детектируются квадратичными детекторами 10, 11, сигналы с выходов которых поступают на блок вычитания 12. Разностный сигнал с выхода блока вычитания 12 синхронно детектируется в первом СД 14, напряжение на выходе которого соответствует измеряемой в полосе Па мощности входного сигнала, что и фиксируется регистратором 17.The voltage from the outputs of the bandpass filters 8, 9 are detected by quadratic detectors 10, 11, the signals from the outputs of which are fed to the subtraction unit 12. The differential signal from the output of the subtraction unit 12 is synchronously detected in the first LED 14, the output voltage of which corresponds to the power measured in the band П а input signal, which is recorded by the registrar 17.

В качестве первого гетеродина 5 можно использовать лампу обратной волны (ЛОВ), имеющую возможность перестройки с практически линейной зависимостью частоты генерации от напряжения на замедляющей системе. Поскольку управляющее напряжение в ЛОВ составляет несколько сотен вольт, то отсюда возникают соответствующие требования к усилителю напряжения 35, с выхода которого подается управляющее напряжение на ЛОВ. Усилитель напряжения 35 выполняется в виде усилительного каскада с амплитудной характеристикой, обеспечивающей заданную зависимость (3). As the first local oscillator 5, you can use the backward wave lamp (BWT), with the possibility of tuning with an almost linear dependence of the generation frequency on the voltage on the slow-wave system. Since the control voltage in the BWT is several hundred volts, the corresponding requirements arise for the voltage amplifier 35, from the output of which a control voltage is supplied to the BWT. The voltage amplifier 35 is in the form of an amplifier stage with an amplitude characteristic that provides a given dependence (3).

В качестве второго и третьего гетеродинов 20, 21 используются известные транзисторные генераторы с перестройкой частоты с помощью нелинейной емкости (варактора) или индуктивности. В последнем случае используется зависимость магнитной проницаемости примененного в нелинейной индуктивности ферромагнитного материала от управляющего тока. As the second and third local oscillators 20, 21, known transistor generators with frequency tuning using a nonlinear capacitance (varactor) or inductance are used. In the latter case, the dependence of the magnetic permeability of the ferromagnetic material used in the nonlinear inductance on the control current is used.

Блок суммирования 13, блок вычитания 12, а также сумматоры 22, 23 и 24 и вычитатель 25 выполняются на операционных усилителях. На операционных усилителях выполняются также усилители 27 и 28 напряжения, первого гетеродина 5 и блоки управления 29, 30. Амплитудная характеристика блоков управления 29, 30 формируется путем использования нелинейных элементов в цепи отрицательной обратной связи с соответствующей соотношению (3) вольт-амперной (или ампер-вольтной) характеристикой. Для реализации однополосных смесителей 6, 7 используется схема с фазовым подавлением зеркального канала. The summing unit 13, the subtraction unit 12, as well as the adders 22, 23 and 24 and the subtractor 25 are performed on operational amplifiers. Amplifiers 27 and 28 of voltage, of the first local oscillator 5 and control units 29, 30 are also performed on operational amplifiers. The amplitude characteristic of control units 29, 30 is formed by using non-linear elements in the negative feedback circuit with the corresponding relation (3) of the current-voltage (or amperes) -volt) characteristic. To implement single-band mixers 6, 7, a circuit with phase suppression of the mirror channel is used.

Эффективность устранения влияния несогласованности высокочастотного тракта можно оценить, сравнивая ширину шумовой дорожки на выходе первого СД 14 при наличии СС и без нее. При отсутствии СС (блоков СД 15 и УПТ 18) изменение частоты первого гетеродина 5 от fo-

Figure 00000020
до fo+
Figure 00000021
вызывает изменение амплитуды напряжения на гетеродинном входе смесителя 3 от Uг1- до Uг1+ и соответствующее изменение выходного напряжения первого СД 14 от
Uвых-= χ Kp(-
Figure 00000023
)
Figure 00000024
до Uвых+= χ Kp(
Figure 00000025
-
Figure 00000026
)
Figure 00000027
где χ коэффициент пропорциональности;
Uо номинальное напряжение первого гетеродина 5, приложенное к смесителю 3;
Кр коэффициент усиления входной разности между средней мощностью сигнала
Figure 00000028
в полосе анализа Па и фонового излучения
Figure 00000029
в той же полосе Па, но в области, расположенной за пределами полосы анализа и отстоящей от нее на частотный интервал ΔF. Таким образом, на выходной сигнал Uвых(t) первого СД 14 накладывается мультипликативное мешающее воздействие и
Uвых(t)
Figure 00000030
(t)
При отсутствии рассогласованной в высокочастотном тракте Uвых(t) соответствует полезной составляющей:
Figure 00000031
Kp(
Figure 00000032
-
Figure 00000033
)
Figure 00000034
соnst, если входной сигнал стационарен. Рассогласование тракта ведет к наложению на полезную составляющую
Figure 00000035
мультипликативного воздействия в форме множителя μош(t) 1+
Figure 00000036
Figure 00000037
U 2 г1- (t)-U 2 г1+ (t)
Figure 00000038
(9) где Uг1-(t) и Uг1+(t) медленные функции времени с характерным временным масштабом, превышающим постоянную времени первого СД 14 и второго СД 15.The effectiveness of eliminating the influence of the inconsistency of the high-frequency path can be estimated by comparing the width of the noise track at the output of the first SD 14 with and without SS. In the absence of SS (blocks SD 15 and UPT 18) the change in the frequency of the first local oscillator 5 from f o -
Figure 00000020
to f o +
Figure 00000021
causes a change in the amplitude of the voltage at the heterodyne input of the mixer 3 from U g1 - to U g1 + and a corresponding change in the output voltage of the first LED 14 from
U o - = χ K p ( -
Figure 00000023
)
Figure 00000024
to U o + = χ K p (
Figure 00000025
-
Figure 00000026
)
Figure 00000027
where χ is the coefficient of proportionality;
U about the rated voltage of the first local oscillator 5, applied to the mixer 3;
Cr gain of the input difference between the average signal power
Figure 00000028
n in the band analysis and background radiation and
Figure 00000029
in the same band P a , but in the region located outside the analysis band and separated from it by the frequency interval ΔF. Thus, a multiplicative interfering effect is superimposed on the output signal U o (t) of the first LED 14 and
U o (t)
Figure 00000030
(t)
In the absence of a mismatch in the high-frequency path, U o (t) corresponds to the useful component:
Figure 00000031
K p (
Figure 00000032
-
Figure 00000033
)
Figure 00000034
const if the input signal is stationary. Path mismatch leads to superposition on the useful component
Figure 00000035
multiplier effect in the form of a factor μ osh (t) 1+
Figure 00000036
Figure 00000037
U 2 g1- (t) -U 2 g1 + (t)
Figure 00000038
(9) where U g1- (t) and U g1 + (t) are slow time functions with a characteristic time scale exceeding the time constant of the first LED 14 and the second LED 15.

Заметим, что:

Figure 00000039
(t)-1
Figure 00000040
≲ (KCB)2
Figure 00000041
КCВ Еmaxmin максимальный из коэффициентов стоячей волны на частотах fг1fо±ΔF/2, а Еmax и Еmin соответствующие этим значениям fг1 максимальная и минимальная амплитуды электрического поля в тракте первого гетеродина 5, Umin минимально возможные (соответствующее Еmin) напряжение на гетеродинном входе смесителя 3.Notice, that:
Figure 00000039
(t) -1
Figure 00000040
≲ (KCB) 2
Figure 00000041
KSV E max / E min the maximum of the standing wave coefficients at frequencies f g1 f о ± ΔF / 2, and E max and E min corresponding to these values f g1 the maximum and minimum amplitudes of the electric field in the path of the first local oscillator 5, U min the minimum possible ( corresponding E min ) voltage at the heterodyne input of the mixer 3.

Выражение (9) дает меру отклонения измеренного значения относительной мощности сигнала от истинного значения

Figure 00000042
. Выигрыш Q за счет подавления эффектов рассогласования тракта гетеродина с помощью СС определяется модулем разности μош(t)-1:
Q
Figure 00000043

Поскольку СС является следящей системой с астатизмом первого порядка и постоянные времени первого СД 14 и второго СД 13 одинаковы, то динамическая ошибка слежения отсутствует, если отслеживаемая частота fооменяется по линейному закону и величина Q может быть достаточно большой, поскольку CC стремится выполнять значения Uг1+ и Uг1-. Максимальное значение Q ограничивается флуктуационной ошибкой в СС. Таким образом, радиоспектрометр позволяет существенно повысить точность радиометрических измерений за счет устранения интерференционных эффектов в тракте первого гетеродина 5. Внешне это проявляется в устранении медленных вариаций шумовой дорожки на регистраторе 17.Expression (9) gives a measure of the deviation of the measured value of the relative signal power from the true value
Figure 00000042
. The gain Q due to the suppression of the effects of the mismatch of the local oscillator path using SS is determined by the difference modulus μsh (t) -1:
Q
Figure 00000043

Since the SS is a tracking system with first-order astatism and the time constants of the first LED 14 and the second LED 13 are the same, there is no dynamic tracking error if the monitored frequency f оо varies linearly and Q can be quite large, since CC tends to fulfill the values U g1 + and U g1-. The maximum value of Q is limited by the fluctuation error in the SS. Thus, the radio spectrometer can significantly improve the accuracy of radiometric measurements by eliminating interference effects in the path of the first local oscillator 5. Externally, this is manifested in the elimination of slow variations of the noise track on the recorder 17.

Claims (1)

Радиоспектрометр с частотной модуляцией, содержащий последовательно соединенные антенну, усилитель высокой частоты, смеситель с подключенным к нему первым гетеродином, усилитель промежуточной частоты, последовательно соединенные первый полосовой фильтр, первый квадратичный детектор и второй полосовой фильтр, второй квадратичный детектор, последовательно соединенные первый синхронный детектор, регистратор, выходы первого и второго квадратичных детекторов подключены к входам блока вычитания, выход которого подключен к первому входу первого синхронного детектора, вход первого гетеродина соединен с первым выходом генератора модулирующей частоты, второй вход которого подключен к второму входу первого синхронного детектора, отличающийся тем, что в него введены последовательно соединенные второй гетеродин, первый однополосный смеситель и третий гетеродин, второй однополосный смеситель, последовательно соединенные блок суммирования, входы которого соединены с выходами первого и второго квадратичных детекторов, второй синхронный детектор, подключенный к второму выходу генератора модулирующей частоты, усилитель постоянного тока, блок управления гетеродинами, первый четвертый выходы которого подключены соответственно к входам первому и второму генератора модулирующей частоты, второго и третьего гетеродинов, блок управления гетеродинами содержит первый, второй и третий сумматоры и вычитатель, первые входы которых являются входом блока управления гетеродинами, источник постоянного напряжения, выход которого подключен к воторому входу первого сумматора и второму входу вычитателя, усилитель напряжения верхней границы девиации частоты первого гетеродина и усилитель напряжения нижней границы девиации частоты первого гетеродина, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами блока управления гетеродинами, а входы подключены соответственно к первым выходам первого сумматора и вычитателя, первый и второй блоки управления, входы которых подключены соответственно к выходам первого и второго сумматоров, а выходы являются соответственно третьим и четвертым выходами блока управления гетеродинами, вторые входы второго и третьего сумматоров подключены соответственно к первым выходам, первого сумматора и вычитателя, генератор модулирующей частоты содержит задающий генератор напряжения прямоугольной формы, выход опорного напряжения которого является вторым выходом генератора модулирующей частоты и подключен к вторым входам первого и второго синхронных детекторов, а управляющий выход к последовательно соединенным усилителю напряжения задающего генератора, ограничителю напряжения, выход которого является первым выходом генератора модулирующей частоты, опорные входы ограничителя напряжения сверху и ограничителя напряжения снизу являются соответственно первым и вторым входом генератора модулирующей частоты. A frequency-modulated radio spectrometer comprising a series-connected antenna, a high-frequency amplifier, a mixer with a first local oscillator connected to it, an intermediate-frequency amplifier, a first-pass filter, a first quadratic detector and a second band-pass filter, a second quadratic detector, a first synchronous detector connected in series, the recorder, the outputs of the first and second quadratic detectors are connected to the inputs of the subtraction unit, the output of which is connected to the first input the first synchronous detector, the input of the first local oscillator is connected to the first output of the modulating frequency generator, the second input of which is connected to the second input of the first synchronous detector, characterized in that the second local oscillator, the first single-band mixer and the third local oscillator, the second single-band mixer, are connected in series connected summing unit, the inputs of which are connected to the outputs of the first and second quadratic detectors, the second synchronous detector connected to the second a modulating frequency generator, a direct current amplifier, a local oscillator control unit, the first fourth outputs of which are connected respectively to the inputs of the first and second modulating frequency generator, second and third local oscillators, the local oscillator control unit contains first, second and third adders and a subtractor, the first inputs of which are the input of the local oscillator control unit, a constant voltage source, the output of which is connected to the second input of the first adder and the second input of the subtractor, an amplifier the upper limit of the frequency deviation of the first local oscillator and the voltage amplifier of the lower boundary of the frequency deviation of the first local oscillator, the outputs of which are the first and second outputs of the local oscillator control unit, and the inputs are connected respectively to the first outputs of the first adder and subtracter, the first and second control units whose inputs are connected respectively, to the outputs of the first and second adders, and the outputs are respectively the third and fourth outputs of the local oscillator control unit, the second inputs are second of the first and third adders are connected respectively to the first outputs of the first adder and subtracter, the modulating frequency generator contains a rectangular voltage master oscillator, the reference voltage output of which is the second output of the modulating frequency generator and connected to the second inputs of the first and second synchronous detectors, and the control output to a series-connected voltage amplifier of the master oscillator, a voltage limiter, the output of which is the first output of the modulating generator frequency, the reference inputs of the voltage limiter at the top and the voltage limiter at the bottom are respectively the first and second input of the modulating frequency generator.
SU5002395 1991-07-01 1991-07-01 Frequency-modulated radiospectrometer RU2060507C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5002395 RU2060507C1 (en) 1991-07-01 1991-07-01 Frequency-modulated radiospectrometer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5002395 RU2060507C1 (en) 1991-07-01 1991-07-01 Frequency-modulated radiospectrometer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2060507C1 true RU2060507C1 (en) 1996-05-20

Family

ID=21585269

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU5002395 RU2060507C1 (en) 1991-07-01 1991-07-01 Frequency-modulated radiospectrometer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2060507C1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Рыжков Н.Ф. Аппаратурные методы радиоспектроскопии межзвездной среды. Изв. САО АН СССР, Астрофизические исследования, т.6, 1974, с.132. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4262361A (en) Variable bandwidth filtering and frequency converting system
US4714873A (en) Microwave noise measuring apparatus
US3986113A (en) Two channel test instrument with active electronicphase shift means
RU2060507C1 (en) Frequency-modulated radiospectrometer
US4864218A (en) Method of compensating for frequency errors in noise power meters
US4002970A (en) Optimum threshold transmission line discriminator
Brooks et al. Simultaneous tuning and signal processing in integrated continuous-time filters: the correlated turning loop
RU2099729C1 (en) Noise characteristics meter of superhigh and high-frequency transmitters
US5132630A (en) Heterodyne analyzer for measuring frequency characteristics of quadripoles
SU631841A1 (en) Frequency deviation rate meter
SU1270742A1 (en) Method and apparatus for determining group transfer time of four-terminal networks
SU118081A1 (en) Measuring receiver for ultra high frequencies
RU1800377C (en) Method of frequency-selected measuring peak value of power of microwave signal
SU1325378A1 (en) Device for measuring resonance transmitter tuning frequency
SU706795A1 (en) Device for measuring the mean rate of measuring frequency and linearity of modulation characteristics of frequency-modulated generators
SU665278A1 (en) Device for measuring mean rate of variation of frequency and linearity of modulation characteristics of frequency-manipulated generators
SU1223166A1 (en) Microwave amplitude phasemeter
SU1123094A1 (en) Amplifier for frequency-shift-keyed signals with gain factor stabilizing
SU935809A1 (en) Device for measuring amplitude frequency characteristics
SU1246046A1 (en) Method of measuring lag time
SU1476397A1 (en) Method for measuring mean frequency variation rate and linearity of modulation characteristics of frequency-modulated oscillators
SU798616A1 (en) Spectral meter of frequency-modulated generator delayed action
SU742828A1 (en) Quartz resonator parameter meter
RU2614181C1 (en) Coherent superheterodyne electron paramagnetic resonance spectrometer
SU1273838A2 (en) Device for measuring phase shift in phase-shift keyed signal