RU2763694C1 - Radiothermometer - Google Patents
Radiothermometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2763694C1 RU2763694C1 RU2021103876A RU2021103876A RU2763694C1 RU 2763694 C1 RU2763694 C1 RU 2763694C1 RU 2021103876 A RU2021103876 A RU 2021103876A RU 2021103876 A RU2021103876 A RU 2021103876A RU 2763694 C1 RU2763694 C1 RU 2763694C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- output
- switch
- antenna
- signal
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- 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
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения характеристик электромагнитного поля и может быть использовано, например, в медицине, ветеринарии, неразрушающем контроле диэлектрических материалов.The invention relates to measuring technology, namely to devices for measuring the characteristics of an electromagnetic field and can be used, for example, in medicine, veterinary medicine, non-destructive testing of dielectric materials.
Известен радиометр для исследования объектов, непосредственно прилегающих к антенне [Патент РФ № 2431856, МПК G01R29/08 (2006.01), опубл.20.10.2011], содержащий антенну, соединенную с первым входом компаратора через последовательно соединенные модулятор, первый и второй направленные ответвители, приемник, синхронный фильтр низких частот, фильтр высоких частот. Ко второму входу компаратора подключена общая шина радиометра. Первый и второй выходы переключателя соединены с вторыми входами первого и второго направленных ответвителей соответственно. На вход переключателя подключены последовательно соединенные генератор шума и источник тока. Блок управления соединен входами синхронного фильтра, переключателя, модулятора и выходной шиной через первый, второй, третий и четвертый выходы соответственно.Known radiometer for the study of objects directly adjacent to the antenna [RF Patent No. 2431856, IPC G01R29/08 (2006.01), publ. receiver, synchronous low pass filter, high pass filter. The common bus of the radiometer is connected to the second input of the comparator. The first and second outputs of the switch are connected to the second inputs of the first and second directional couplers, respectively. A noise generator and a current source connected in series are connected to the switch input. The control unit is connected to the inputs of the synchronous filter, switch, modulator and output bus through the first, second, third and fourth outputs, respectively.
Наличие на входе приемника двух направленных ответвителей является избыточным и обуславливает сложность конструкции. Направленные ответвители, особенно в дециметровом диапазоне длин волн, обладают сравнительно большими размерами, затрудняющими миниатюризацию радиотермометров. Отсутствие на входе приемника ферритового циркулятора приводит к возникновению дополнительных ошибок измерений, связанных с возникновением интерференции на входе приемника при изменении импеданса исследуемого объекта. Модулятор, работающий на размыкание входа приемника от выхода антенны, в открытом состоянии обуславливает возникновение интерференции собственных шумов приемника, что приводит к дополнительной погрешности измерений. The presence of two directional couplers at the input of the receiver is redundant and causes the complexity of the design. Directional couplers, especially in the decimeter wavelength range, are relatively large, making it difficult to miniaturize radiothermometers. The absence of a ferrite circulator at the input of the receiver leads to additional measurement errors associated with the occurrence of interference at the input of the receiver when the impedance of the object under study changes. The modulator, which works to disconnect the receiver input from the antenna output, in the open state causes the interference of the receiver's own noise, which leads to an additional measurement error.
Известен радиометр для измерения глубинных температур объекта (радиотермометр) [Патент РФ № 2485462, МПК G01K13/00 (2006.01), G01R29/08 (2006.01), опубл. 20.06.2013], выбранный в качестве прототипа, содержащий антенну, подключенную к первому входу направленного ответвителя, второй и третий входы которого подключены к первому и второму выходам переключателя соответственно. Вторую и третью согласованные нагрузки, подключенные к второму и третьему входам переключателя соответственно. Источник тока, соединенный с первым входом переключателя через генератор шума. Циркулятор, первый вход которого соединен с выходом направленного ответвителя, второй вход соединен с первой согласованной нагрузкой, а выход подключен к первому входу компаратора через последовательно соединенные приемник, синхронный фильтр и фильтр высоких частот. Второй вход компаратора соединен с общей шиной, а выход подключен на вход блока управления, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены с управляющими входами синхронного фильтра, переключателя, модулятора и выходной шиной радиометра соответственно. Модулятор, направленный ответвитель, циркулятор, согласованные нагрузки, переключатель, генератор шума и источник тока размещены на термостатированной плате.Known radiometer for measuring the deep temperatures of an object (radiothermometer) [RF Patent No. 2485462, IPC G01K13/00 (2006.01), G01R29/08 (2006.01), publ. 06/20/2013], selected as a prototype, containing an antenna connected to the first input of a directional coupler, the second and third inputs of which are connected to the first and second outputs of the switch, respectively. The second and third matched loads connected to the second and third inputs of the switch, respectively. A current source connected to the first input of the switch through a noise generator. A circulator, the first input of which is connected to the output of a directional coupler, the second input is connected to the first matched load, and the output is connected to the first input of the comparator through a receiver, a synchronous filter and a high-pass filter connected in series. The second input of the comparator is connected to a common bus, and the output is connected to the input of the control unit, the first, second, third and fourth outputs of which are connected to the control inputs of the synchronous filter, switch, modulator and the output bus of the radiometer, respectively. The modulator, directional coupler, circulator, matched loads, switch, noise generator and current source are placed on a temperature-controlled board.
При работе этого радиометра осуществляются два вида синхронно выполняемых импульсных модуляций: амплитудная и широтная. Амплитудно-импульсная модуляция выполняется в модуляторе. Период модуляции состоит из двух полупериодов равной длительности. Широтно-импульсная модуляция осуществляется в переключателе. Радиометр функционирует на основе уравнивания энергий входного сигнала антенны и опорных источников шума, что реализуется изменением длительности сигнала широтно-импульсной модуляции. Первый опорный сигнал формируются из шумов первой согласованной нагрузки, второй связан с сигналом генератора шума. Компенсация влияния коэффициента отражения антенны достигается за счет переменны направления излучения сигнала генератора шума от антенны к приемнику в соответствии с сигналами амплитудной и широтно-импульсной модуляции. During the operation of this radiometer, two types of synchronously performed pulse modulations are carried out: amplitude and width modulations. Pulse-amplitude modulation is performed in the modulator. The modulation period consists of two half-cycles of equal duration. Pulse width modulation is carried out in the switch. The radiometer operates on the basis of balancing the energies of the input signal of the antenna and the reference noise sources, which is implemented by changing the duration of the pulse-width modulation signal. The first reference signal is formed from the noise of the first matched load, the second one is connected to the noise generator signal. Compensation for the effect of the antenna reflection coefficient is achieved by changing the direction of the emission of the noise generator signal from the antenna to the receiver in accordance with the amplitude and pulse width modulation signals.
Принцип работы этого 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.The principle of operation of this radiometer is to change the duration of the pulse-width signal. This change is carried out until the comparator, operating in the mode of comparison with the potential of the common bus, determines the equality of the volt-second areas.
В радиотермометре-прототипе входная пассивная высокочастотная часть содержит модулятор. Во втором полупериоде модуляции модулятор размыкает выход антенны и вход направленного ответвителя. Так как развязка плеч циркулятора не бесконечна, часть сигнала, обусловленного собственными шумами приемника, поступает на модулятор. Шумы приемника, отраженные от разомкнутого модулятора, поступают обратно на вход приемника и когерентно складываются с шумами, распространяющимися от его входа к выходу, что приводит к их интерференции. Возникновение интерференции собственных шумов приводит к ошибкам в измерениях. In radiothermometer prototype input passive high-frequency part contains a modulator. In the second half-cycle of the modulation, the modulator opens the antenna output and the input of the directional coupler. Since the decoupling of the circulator arms is not infinite, part of the signal due to the receiver's own noise is fed to the modulator. The receiver noise reflected from the open-loop modulator is fed back to the receiver input and coherently added to the noise propagating from its input to the output, which leads to their interference. The occurrence of self-noise interference leads to measurement errors.
Наличие второй и третьей согласованной нагрузки является избыточным в конструкции радиотермометра-прототипа. Наличие сравнительно большого числа элементов, находящихся на термостатированной плате обуславливает дополнительные сложности для ее термостатирования, что приводит к дополнительным ошибкам в измерениях, возникающим за счет погрешности поддержания температуры термостатированной платы на заданном уровне. The presence of the second and third matched load is redundant in the design of the prototype radiothermometer. The presence of a relatively large number of elements located on a thermostated board causes additional difficulties for its temperature control, which leads to additional errors in measurements that occur due to the error in maintaining the temperature of a thermostated board at a given level.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности измерений и упрощении конструкции радиотермометра.The technical result of the invention is to improve the measurement accuracy and simplify the design of the radiothermometer.
Радиотермометр, так же как в прототипе, содержит антенну, термостатированную плату на которой размещены согласованная нагрузка и генератор шума, направленный ответвитель, выход которого соединен с первым входом циркулятора, второй вход которого соединен с выходом согласованной нагрузки, а выход соединен с первым входом синхронного фильтра через приемник, выход синхронного фильтра подключен к входу фильтра высоких частот, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход компаратора подключен к выходу общей шины, а выход соединен с входом блока управления, первый выход которого соединен с вторым входом синхронного фильтра, четвертый выход соединен с входом выходной шины данных, второй выход соединен со вторым входом второго переключателя, первый и второй выходы второго переключателя подключены к второму и третьему входам направленного ответвителя соответственно, а к первому входу второго переключателя подключен источник тока через генератор шума. The radiothermometer, as in the prototype, contains an antenna, a thermostatic board on which a matched load and a noise generator are placed, a directional coupler, the output of which is connected to the first input of the circulator, the second input of which is connected to the output of the matched load, and the output is connected to the first input of the synchronous filter through the receiver, the output of the synchronous filter is connected to the input of the high-pass filter, the output of which is connected to the first input of the comparator, the second input of the comparator is connected to the output of the common bus, and the output is connected to the input of the control unit, the first output of which is connected to the second input of the synchronous filter, the fourth output connected to the input of the output data bus, the second output is connected to the second input of the second switch, the first and second outputs of the second switch are connected to the second and third inputs of the directional coupler, respectively, and the current source is connected to the first input of the second switch through the noise generator.
Согласно изобретению, выход антенны соединен с первым входом первого переключателя, выход которого соединен с первым входом направленного ответвителя, а второй и третий входы соединены с выходом короткозамыкателя и третьим выходом блока управления соответственно.According to the invention, the antenna output is connected to the first input of the first switch, the output of which is connected to the first input of the directional coupler, and the second and third inputs are connected to the short circuit output and the third output of the control unit, respectively.
По сравнению с прототипом предложенный радиотермометр позволяет уменьшить интерференцию собственных шумов приемника. Это приводит к повышению точности измерений. Сокращение числа согласованных нагрузок и элементов, размещенных на термостатированной плате позволяет упростить конструкцию предлагаемого радиотермометра. Compared with the prototype proposed radiothermometer allows you to reduce the interference of the receiver's own noise. This leads to an increase in measurement accuracy. Reducing the number of matched loads and elements placed on a temperature-controlled board makes it possible to simplify the design of the proposed radiothermometer.
На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого радиотермометра.In FIG. 1 shows a block diagram of the proposed radiothermometer.
На фиг. 2 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы предлагаемого радиотермометра.In FIG. 2 shows timing diagrams that explain the principle of operation of the proposed radiothermometer.
Радиотермометр (фиг. 1) содержит антенну 1 (А), которая подключена к первому входу первого переключателя 2 (ПК1). Выход первого переключателя 2 (ПК1) соединен с первым входом направленного ответвителя 3 (НО), выход которого соединен с первым входом циркулятора 4 (Ц). Выход циркулятора 4 (Ц) соединен с входом приемника 11 (ПР). Выход приемника 11 (ПР) соединен с первым входом синхронного фильтра 12 (СФ), а его выход подключен к первому входу компаратора 14 (К) через фильтр высоких частот 13 (ФВЧ). Выход общей шины 7 (ОШ) подключен ко второму входу компаратора 14 (К), выход которого соединен с входом блока управления 15 (БУ). Первый выход блока управления 15 (БУ) соединен с вторым входом синхронного фильтра 12 (СФ), а второй выход соединен с вторым входом второго переключателя 6 (ПК2), а третий выход соединен с одноименным входом первого переключателя 2 (ПК1), а четвертый выход подключен ко входу выходной шины данных 16 (ВШ). Выход согласованной нагрузки 5 (СН) подключен ко второму входу циркулятора 4 (Ц). Выход источника тока 10 (ИТ) соединен с первым входом второго переключателя 6 (ПК2) через генератор шума 9 (ГШ). Первый и второй выходы второго переключателя 6 (ПК2) соединены соответственно с вторым и третьим входами направленного ответвителя 3 (НО). Выход короткозамыкателя 17 (КЗ) подключен ко второму входу первого переключателя 2 (ПК1). Согласованная нагрузка 5 (СН) и генератор шума 9 (ГШ) размещены на термостатированной плате 8 (ТСП).The radiothermometer (Fig. 1) contains an antenna 1 (A), which is connected to the first input of the first switch 2 (PC1). The output of the first switch 2 (PC1) is connected to the first input of the directional coupler 3 (BUT), the output of which is connected to the first input of the circulator 4 (C). The output of the circulator 4 (C) is connected to the input of the receiver 11 (PR). The output of the receiver 11 (PR) is connected to the first input of the synchronous filter 12 (SF), and its output is connected to the first input of the comparator 14 (K) through the high-pass filter 13 (HPF). The output of the common bus 7 (OR) is connected to the second input of the comparator 14 (K), the output of which is connected to the input of the control unit 15 (BU). The first output of the control unit 15 (CU) is connected to the second input of the synchronous filter 12 (SF), and the second output is connected to the second input of the second switch 6 (PC2), and the third output is connected to the input of the same name of the first switch 2 (PC1), and the fourth output connected to the input of the output data bus 16 (VSH). The output of the matched load 5 (CH) is connected to the second input of the circulator 4 (C). The output of the current source 10 (IT) is connected to the first input of the second switch 6 (PC2) through the noise generator 9 (GSh). The first and second outputs of the second switch 6 (PC2) are connected respectively to the second and third inputs of the directional coupler 3 (BUT). The output of the short circuit 17 (short circuit) is connected to the second input of the first switch 2 (PC1). The matched load 5 (SN) and the noise generator 9 (GSh) are placed on the temperature-controlled board 8 (RTS).
Может быть использована или рупорная, или диэлектрическая, или печатная антенна 1(А). Первый 2 (ПК1) и второй 6 (ПК2) переключатели поглощающего типа могут быть реализованы на основе выпускаемой промышленностью микросхемы PE4257. Приемник 11 (ПР) может быть реализован по схеме прямого усиления или с переносом частоты на основе выпускаемых промышленностью малошумящих усилителей, полосовых фильтров, диодов [Соколов М.А. Проектирование радиолокационных приемных устройств. – М.: Высшая школа. – 1984. – 256 с.].Can be used or horn, or dielectric, or printed antenna 1(A). The first 2 (PK1) and second 6 (PK2) absorbing type switches can be implemented based on the commercially available PE4257 chip. The receiver 11 (PR) can be implemented according to the scheme of direct amplification or with frequency transfer based on commercially available low-noise amplifiers, bandpass filters, diodes [Sokolov M.A. Design of radar receivers. – M.: Higher school. - 1984. - 256 p.].
Фильтр высоких частот 13 (ФВЧ) может быть реализован в виде однозвенных RC-цепей, выполненных на основе резисторов и конденсаторов, выпускаемых промышленностью. Синхронный фильтр 12 (СФ) состоит из трех звеньев, которые могут быть реализованы на переключаемых RC-цепях [Фрейтер Р.Н. Синхронный интегратор и демодулятор // Приборы для научных исследований. – 1965. – Т.36, №5. – С. 53]. Компаратор 14 (К) может быть реализован, например, на основе выпускаемой промышленностью микросхемы LM311. Блок управления 15 (БУ) может быть выполнен на базе дискретных логических элементов, хотя для этого также могут быть использованы программируемые логические матрицы или микроконтроллеры. Термостатированная плата 8 (ТСП) выполнена из диэлектрического материала и содержит нагревающий элемент [Горбач П., Лоу Д. Термостаты и охладители в технологических процессах. Конструкции, выбор, применение. – СПб.: ЦОП "Профессия", 2012. – 352 с.]. Согласованная нагрузка 5 (СН) может быть реализована на основе выпускаемых промышленностью высокочастотных резисторов, например, Р1-81. Источник тока 10 (ИТ) может быть реализован на основе микросхемы AD5260, выпускаемой серийно. В качестве направленного ответвителя 3 (НО) может быть использован направленный ответвитель НО16-0,5-26-03Р-03Р, выпускаемый промышленностью. Генератор шума 9 (ГШ) может быть реализован на или лавинно-пролетных диодах, или диодах Ганна, или транзисторах, выпускаемых промышленностью. В качестве циркулятора 4 (Ц) может быть использован ферритовый циркулятор ФПЦН3-45, выпускаемый промышленностью серийно. Короткозамыкатель 17 (КЗ) может быть реализован на основе короткозамкнутой микрополосковой линии передачи [Вольман В.И. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. М.: Радио и связь, 1982, 326с]. The high-pass filter 13 (HPF) can be implemented in the form of single-link RC circuits made on the basis of resistors and capacitors produced by the industry. Synchronous filter 12 (SF) consists of three links that can be implemented on switchable RC circuits [Freyter R.N. Synchronous integrator and demodulator // Instruments for scientific research. - 1965. - V.36, No. 5. – S. 53]. Comparator 14 (K) can be implemented, for example, on the basis of commercially available chip LM311. The control unit 15 (CU) can be made on the basis of discrete logic elements, although programmable logic arrays or microcontrollers can also be used for this. Thermostatic board 8 (TSP) is made of a dielectric material and contains a heating element [Gorbach P., Lowe D. Thermostats and coolers in technological processes. Designs, selection, application. - St. Petersburg: TsOP "Professiya", 2012. - 352 p.]. Matched load 5 (SN) can be implemented on the basis of commercially available high-frequency resistors, for example, P1-81. The current source 10 (IT) can be implemented based on the commercially available AD5260 chip. As a directional coupler 3 (NO), a directional coupler NO16-0.5-26-03R-03R, produced by the industry, can be used. The noise generator 9 (GS) can be implemented on either avalanche-transit diodes, or Gunn diodes, or commercially available transistors. As circulator 4 (C), a ferrite circulator FPTSN3-45, commercially produced commercially, can be used. The short circuiter 17 (short circuit) can be implemented on the basis of a short-circuited microstrip transmission line [Volman V.I. Handbook for the calculation and design of microwave strip devices. M.: Radio and communication, 1982, 326s].
Принцип работы радиотермометра поясняется временными диаграммами на фиг. 2 и заключается в следующем. Блок управления 15 (БУ) формирует сигналы широтно-импульсной и амплитудно-импульсной модуляции. На втором выходе блока управления 15 (БУ) формируется сигнал широтно-импульсной модуляции. На третьем выходе блока управления 15 (БУ) формируется сигнал амплитудно-импульсной модуляции, а на первом выходе формируются сигналы широтно-импульсной и амплитудно-импульсной модуляции.The principle of operation of the radiothermometer is illustrated by the timing diagrams in Fig. 2 and is as follows. The control unit 15 (BU) generates signals of pulse-width and amplitude-pulse modulation. At the second output of the control unit 15 (CU) a pulse-width modulation signal is generated. At the third output of the control unit 15 (BU) is formed signal amplitude-pulse modulation, and the first output signals are generated pulse-width and amplitude-pulse modulation.
Сигнал амплитудно-импульсной модуляции tАИМ представляет собой периодическую последовательность прямоугольных импульсов со скважностью следования, равной двум. Один период амплитудной модуляции состоит из двух полупериодов с равными длительностями (фиг. 2). Сигнал широтно-импульсной модуляции представляет собой периодическую последовательность прямоугольных импульсов с переменной длительностью. The signal amplitude-pulse modulation t AIM is a periodic sequence of rectangular pulses with a duty cycle equal to two. One period of amplitude modulation consists of two half-cycles with equal durations (Fig. 2). The pulse width modulation signal is a periodic sequence of rectangular pulses with variable duration.
Под действием сигналов tАИМ и tШИМ происходит управление первым переключателем 2 (ПК1), вторым переключателем 6 (ПК2) и синхронным фильтром 12 (СФ). В соответствии с временными диаграммами, представленными на фиг. 2, блок управления формирует четыре комбинации сигналов tАИМ и tШИМ.Under the action of the signals t AIM and t PWM , the first switch 2 (PC1), the second switch 6 (PC2) and the synchronous filter 12 (SF) are controlled. According to the timing diagrams shown in FIG. 2, the control unit generates four combinations of signals t AIM and t PWM .
Если блок управления 15 (БУ) формирует управляющие сигналы tАИМ и tШИМ высокого уровня, то, первый вход направленного ответвителя 3 (НО) посредством первого переключателя 2 (ПК1) связан с выход антенны 1 (А), а выход генератора шума 9 (ГШ) со вторым входом направленного ответвителя 3 (НО) посредством второго переключателя 6 (ПК2). Второй переключатель 6 (ПК2) является переключателем поглощающего типа – не активный выход поглощает поступающий на него сигнал. If the control unit 15 (CU) generates control signals t AIM and t PWM high level, then the first input of the directional coupler 3 (NO) is connected to the output of the antenna 1 (A) by means of the first switch 2 (PC1), and the output of the noise generator 9 ( GSh) with the second input of the directional coupler 3 (NO) by means of the second switch 6 (PC2). The second switch 6 (PC2) is an absorbing type switch - an inactive output absorbs the signal coming to it.
Следовательно, сигнал ТА антенны 1 (А) поступает на первый вход первого переключателя 2 (ПК1). С выхода первого переключателя 2 (ПК1) на первый вход направленного ответвителя 3 (НО). Далее, с выхода направленного ответвителя 3 (НО) на первый вход циркулятора 4 (Ц). Сигнал ТСН, обусловленный шумами согласованной нагрузки 5 (СН), поступает на второй вход циркулятора 2 (Ц). Далее, ТСН поступает на выход антенны 1 (А) через направленной ответвитель 3 (НО) и переключатель 2 (ПК1). Часть ТСН отражается от антенны 1 (А) с коэффициентом R, обусловленным рассогласованием антенны с исследуемой биологической средой. Отраженный сигнал ТСНR поступает обратно на первый вход циркулятора 4 (Ц) через первый переключатель 2 (ПК1) и направленный ответвитель 3 (НО). Источник тока 10 (ИТ) осуществляет непрерывное электропитание генератора шума 9 (ГШ). Сигнал генератора шума 9 (ГШ) поступает на выход антенны 1 (А) через второй переключатель 6 (ПК2), направленный ответвитель 3 (НО), первый переключатель 2 (ПК1). Часть сигнала ТГШ, поступающего на антенну 1 (А) и обусловленного сигналом генератора шума 9 (ГШ), отражается от антенны 1 (А) с коэффициентом R, в виду рассогласования антенны с исследуемой средой. Отраженный сигнал ТГШR поступает на первый вход циркулятора 4 (Ц) через первый переключатель 2 (ПК1) и направленный ответвитель 3 (НО). Therefore, the signal T A of the antenna 1 (A) is fed to the first input of the first switch 2 (PC1). From the output of the first switch 2 (PC1) to the first input of the directional coupler 3 (NO). Further, from the output of the directional coupler 3 (NO) to the first input of the circulator 4 (C). The signal T CH due to the noise of the matched load 5 (CH) is fed to the second input of the circulator 2 (C). Further, T CH is fed to the output of antenna 1 (A) through a directional coupler 3 (NO) and switch 2 (PC1). Part of T CH is reflected from the antenna 1 (A) with a coefficient R, due to the mismatch of the antenna with the biological environment under study. The reflected signal T CH R is fed back to the first input of the circulator 4 (C) through the first switch 2 (PC1) and directional coupler 3 (BUT). The current source 10 (IT) provides continuous power to the noise generator 9 (GSh). The signal of the noise generator 9 (GN) is fed to the output of the antenna 1 (A) through the second switch 6 (PC2), directional coupler 3 (NO), the first switch 2 (PC1). Part of the signal T GSH arriving at the antenna 1 (A) and due to the signal of the noise generator 9 (GSH) is reflected from the antenna 1 (A) with a coefficient R, due to the mismatch of the antenna with the medium under study. The reflected signal T GSH R is fed to the first input of the circulator 4 (C) through the first switch 2 (PC1) and directional coupler 3 (BUT).
Таким образом, на первом входе циркулятора 4 (Ц) образуется сумма сигналов ТА, ТСНR и ТГШR. С первого входа циркулятора 4 (Ц) сигналы ТА, ТСНR и ТГШR поступают на первый вход компаратора 1 (К) через приемник 11 (ПР), синхронный фильтр 12 (СФ) и фильтр высоких частот 13 (ФВЧ), где последовательно выполняются операции усиления, полосовой фильтрации, детектирования, сглаживания и исключения постоянной составляющей. При этом на первом входе компаратора 14 (К) образуется сигнал: Thus, at the first input of the circulator 4 (C) is formed sum signals T A, T R and T CH GSH R. From the first input of the circulator 4 (C) signals T A, T R and T CH GSH R arrive at the first input of the comparator 1 (K) through the receiver 11 (PR), synchronous filter 12 (SF) and high-pass filter 13 (HPF), where the operations of amplification, bandpass filtering, detection, smoothing and exclusion of the constant component are sequentially performed. At the same time, at the first input of the comparator 14 (K), a signal is generated:
где ТА – шумовая температура антенны 1 (А);where T A is the noise temperature of antenna 1 (A);
df – рабочая полоса частот приемника 11 (ПР);df is the operating frequency band of receiver 11 (PR);
ТШ – уровень собственных шумов приемника 11 (ПР); ТSh –
G – коэффициент передачи приемника 11 (ПР); G – receiver gain 11 (PR);
k –постоянная Больцмана.k is the Boltzmann constant.
Далее в соответствии с временными диаграммами, изображенными на фиг. 2, блок управления 15 (БУ) формирует комбинацию управляющих сигналов высокого уровня tАИМ и низкого tШИМ. При этом выход генератора шума 9 (ГШ) связан с третьим входом направленного ответвителя 3 (НО). Further, in accordance with the timing diagrams shown in Fig. 2, the control unit 15 (CU) generates a combination of control signals of high level t AIM and low t PWM . The output of the noise generator 9 (GSh) is connected to the third input of the directional coupler 3 (BUT).
В этом случае сигнал ТГШ из направленного ответвителя поступает на первый вход циркулятора 4 (Ц). При этом аналогично (1) на первом входе компаратора 14 (К) формируется сигнал:In this case, the signal T GSh from the directional coupler is fed to the first input of the circulator 4 (C). In this case, similarly to (1), a signal is generated at the first input of the comparator 14 (K):
Далее, в соответствии с временными диаграммами, изображенными на фиг. 2, блок управления 15 (БУ) формирует сигналы tАИМ и tШИМ низкого уровня. При этом первый вход направленного ответвтеля 3 (НО) соединен с выходом короткозамыкателя 17 (КЗ). Further, in accordance with the timing diagrams shown in FIG. 2, the control unit 15 (CU) generates the low-level signals t AIM and t PWM. In this case, the first input of the directional coupler 3 (NO) is connected to the output of the short circuit 17 (short circuit).
В этом случае сигнал ТСН отражается от короткозамыкателя 17 (КЗ) и поступает на первый вход циркулятора 4 (Ц). В виду того, что развязка плеч циркулятора 4 (Ц) не бесконечна, сигнал, обусловленный шумами приемника 11 (ПР) с его входа поступает на первый вход циркулятора 4 (Ц). Далее, проходя через направленный ответвитель 3 (НО) и переключатель 2 (ПК) этот сигнал отражается в короткозамыкателе 17 (КЗ). После отражения в короткозамыкателе 17 (КЗ) отраженный сигнал поступает на вход приемника 11 (ПР). В результате взаимодействия собственных шумов приемника 11 (ПР) и отраженных шумов проявляется их интерференция. Величина сигнала, обусловленного интерференцией связана с электрической длинной короткозамыкателя 17 (КЗ) и коэффициентом развязки плеч циркулятора 4 (Ц) и носит волновой характер. In this case, the signal T CH is reflected from the short circuit 17 (short circuit) and fed to the first input of the circulator 4 (C). In view of the fact that the decoupling of the shoulders of the circulator 4 (C) is not infinite, the signal caused by the noise of the receiver 11 (PR) from its input is fed to the first input of the circulator 4 (C). Further, passing through the directional coupler 3 (NO) and the switch 2 (PC), this signal is reflected in the short circuit 17 (short circuit). After reflection in the short circuit 17 (short circuit) the reflected signal is fed to the input of the receiver 11 (PR). As a result of the interaction of the intrinsic noise of the receiver 11 (PR) and the reflected noise, their interference appears. The magnitude of the signal due to interference is related to the electrical length of the short circuit 17 (SC) and the decoupling factor of the circulator arms 4 (C) and has a wave character.
В связи с этим на первом входе компаратора 14 (К) формируется сигнал:In this regard, at the first input of the comparator 14 (K) a signal is generated:
где δ – величина, характеризующая уровень интерференции сигнала собственных шумов приемника 11 (ПР). where δ is a value that characterizes the interference level of the intrinsic noise signal of receiver 11 (PR).
Уровень сигнала интерференции собственных шумов определяется соотношением [Троицкий B.C. К теории контактных радиометрических измерений внутренней температуры тел // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. - 1981. - №9. - С. 1954-1961]:The level of the interference signal of intrinsic noise is determined by the ratio [Troitsky B.C. On the theory of contact radiometric measurements of the internal temperature of bodies. Radiophysics. - 1981. - No. 9. - S. 1954-1961]:
где γ – величина обратная развязке циркулятора 4 (Ц), l – электрическая длинна короткозамыкателя 17 (КЗ), С – электрическая длинна волноводов от входа приемника 11 (ПР) до короткозамыкателя 17 (КЗ). where γ is the reciprocal of the isolation of the circulator 4 (C), l is the electrical length of the short circuit 17 (short circuit), C is the electrical length of the waveguides from the input of the receiver 11 (PR) to the short circuit 17 (short circuit).
Выбирая электрическую длину короткозамыкателя 17 (КЗ) таким образом, что сигналы, обусловленные собственными шумами приемника 11 (ПР) и отраженными шумами складываются с разностью фаз 180° можно добиться достаточного подавления интерференционной составляющей . Выбор электрической длинный короткозамыкателя 17 (КЗ) осуществляется путем настройки физической длинны короткозамыкателя 17 (КЗ) и осуществляется следующим образом. Антенна 1 (1) направляется на радиопоглощающий материал с физической температурой, равной температуре термостатированной платы 8 (ТСП). В этом случает уровень сигналов ТСН и ТА одинаков. Далее путем регулирования физической длинны короткозамыкателя 17 (КЗ) добиваются равенства уровней сигналов А и С на входе компаратора 14 (К). В этом случае уровень сигнала интерференционной составляющей близок к нулю и его дальнейшим влиянием на измерения можно пренебречь.By choosing the electrical length of the short circuit 17 (short circuit) in such a way that the signals due to the intrinsic noise of the receiver 11 (PR) and the reflected noise add up with a phase difference of 180 °, sufficient suppression of the interference component can be achieved . The choice of electric long short circuit 17 (short circuit) is carried out by setting the physical length of the short circuit 17 (short circuit) and is carried out as follows. Antenna 1 (1) is directed to the radio-absorbing material with a physical temperature equal to the temperature of thermostated board 8 (TSP). In this case, the level of the signals T CH and T A is the same. Further, by adjusting the physical length of the short circuiter 17 (short circuit), equal levels of signals A and C are achieved at the input of the comparator 14 (K). In this case, the signal level of the interference component is close to zero and its further influence on measurements can be neglected.
В зависимости от состояния сигнала на выходе компаратора 14 (К) в блоке управления 15 (БУ), при низком уровне tАИМ, происходит регулирование длительности сигнала широтно-импульсной модуляции tШИМ. Если на выходе компаратора 14 (К) сформирован сигнал высокого уровня, то длительность сигнала широтно-импульсной модуляции tШИМ уменьшается. Если на выходе компаратора 14 (К) сформирован сигнал низкого уровня, то длительность сигнала широтно-импульсной модуляции tШИМ увеличивается. Регулирование осуществляется до тех пор, пока не выполнится равенство вольт-секундных площадей положительного и отрицательного импульсов на первом входе компаратора 14 (К). При этом среднее значение сигнала во втором полупериоде модуляции равно нулю, что фиксируется компаратором 14 (К) в последующем первом полупериоде модуляции, при его сравнении с потенциалом общей шины 7 (ОШ). В этом случае выполняется равенство: Depending on the state of the signal at the output of the comparator 14 (K) in the control unit 15 (BU), at a low level t AIM , the duration of the pulse-width modulation signal t PWM is regulated. If a high level signal is generated at the output of the comparator 14 (K), then the duration of the pulse-width modulation signal t PWM decreases. If at the output of the comparator 14 (K) a low level signal is generated, then the duration of the pulse-width modulation signal t PWM increases. The regulation is carried out until the equality of the volt-second areas of the positive and negative pulses at the first input of the comparator 14 (K) is fulfilled. In this case, the average value of the signal in the second half-cycle of the modulation is equal to zero, which is fixed by the comparator 14 (K) in the subsequent first half-cycle of the modulation, when compared with the potential of the common bus 7 (OR). In this case, the equality holds:
Подставляя (1), (2) и (3) в (4) получим:Substituting (1), (2) and (3) into (4) we get:
Шумовая температура антенны 1 (А) в виду возникающего отражения от границы раздела двух сред пропорциональна:The noise temperature of antenna 1 (A) in view of the resulting reflection from the interface between two media is proportional to:
где TO – шумовая температура исследуемого объекта.where T O is the noise temperature of the object under study.
Решая (5) относительно tШИМ с учетом (6) получим: Solving (5) with respect to t PWM , taking into account (6), we get:
Из последней формулы (7) следует линейная зависимость сигнала tШИМ от входного сигнала антенны 1 (А). Следовательно, через эту длительность определяется шумовая температура объекта. Так же из формулы (7) следует, что на длительность широтно-импульсного сигнала не влияют изменения уровня собственных шумов ТШ и коэффициента передачи G приемника 11 (РП) и коэффициента отражения R. Устранение влияния этих дестабилизирующих факторов указывает на то, что радиотермометр работает по принципу нулевых измерений.From the last formula (7), a linear dependence of the PWM signal t on the input signal of antenna 1 (A) follows. Therefore, the noise temperature of the object is determined through this duration. It also follows from formula (7) that the duration of the pulse-width signal is not affected by changes in the intrinsic noise level TSH and the transmission coefficient G of the receiver 11 (RP) and the reflection coefficient R. Eliminating the influence of these destabilizing factors indicates that the radiothermometer is working according to the principle of zero measurements.
После накопления требуемого количества значений сигнала широтно-импульсной модуляции блок управления 15 (БУ) формирует на выходной шине 16 (ВШ) цифровой код, соответствующий сигналу ТО исследуемого объекта.After accumulating the required amount of pulse width modulation signal value unit 15 (ECU) generates on output line 16 (VS) of the digital code corresponding to signal T O of the test subject.
Таким образом, использование короткозамыкателя 17 (КЗ) позволяет минимизировать интерференционную составляющую сигнала собственных шумов приемника 11 (ПР) во втором полупериоде модуляции. Следовательно, по сравнению с прототипом, в предлагаемом радиотермометре повышена точность измерений за счет снижения систематической погрешности, обусловленной интерференцией собственных шумов. Thus, the use of a short circuiter 17 (short circuit) makes it possible to minimize the interference component of the intrinsic noise signal of the receiver 11 (PR) in the second half-cycle of the modulation. Therefore, compared with the prototype, the proposed radiothermometer improved measurement accuracy by reducing the systematic error due to the interference of their own noise.
По сравнению с прототипом, в предлагаемом радиотермометре сокращено число согласованных нагрузок, а на термостатированной плате 8 (ТСП) размещены только генератор шума 9 (ГШ) и согласованная нагрузка 5 (СН). Уменьшение числа согласованных нагрузок и элементов, расположенных на термостатированной плате 8 (ТСП) обуславливает упрощение конструкции предлагаемого радиотермометра. Уменьшение числа элементов, расположенных на термостатированной плате позволяет уменьшить ее физические размеры. Это позволяет уменьшить погрешность термостатирования. Как известно из теории приема шумовых сигналов [Есепкина Е.А., Корольков Д.В., Парийский Ю.Н. "Радиотелескопы и радиометры". – М.: Наука. –1973. –416 с.], погрешность радиометрических измерений связана с погрешностью опорных генераторов шума, уровень которой, в случае использования согласованной нагрузки, задан погрешностью ее термостатирования. Поэтому в предлагаемом радиотермометре точность измерений повышена, по сравнению с прототипом.Compared with the prototype, the proposed radiothermometer reduced the number of matched loads, and thermostatic board 8 (TSP) placed only noise generator 9 (GS) and matched load 5 (SN). The reduction in the number of matched loads and elements located on the temperature-controlled board 8 (TSP) causes a simplification of the design of the proposed radiothermometer. Reducing the number of elements located on a temperature-controlled board reduces its physical dimensions. This makes it possible to reduce the temperature control error. As is known from the theory of reception of noise signals [Esepkina E.A., Korolkov D.V., Parisky Yu.N. "Radio Telescopes and Radiometers". – M.: Science. –1973. –416 pp.], the error of radiometric measurements is related to the error of the reference noise generators, the level of which, in the case of using a matched load, is set by the error of its temperature control. Therefore, the proposed radiothermometer measurement accuracy is increased, compared with the prototype.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021103876A RU2763694C1 (en) | 2021-02-17 | 2021-02-17 | Radiothermometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021103876A RU2763694C1 (en) | 2021-02-17 | 2021-02-17 | Radiothermometer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2763694C1 true RU2763694C1 (en) | 2021-12-30 |
Family
ID=80040036
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021103876A RU2763694C1 (en) | 2021-02-17 | 2021-02-17 | Radiothermometer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2763694C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2211952B (en) * | 1987-11-05 | 1991-11-13 | Secr Defence | Radiometers |
EP1739867B1 (en) * | 2005-07-01 | 2007-08-29 | Research In Motion Limited | Determination of antenna noise temperature for handheld wireless devices |
RU2431856C1 (en) * | 2010-06-01 | 2011-10-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) | Radiometre to analyse objects adjoining antenna |
RU2485462C2 (en) * | 2011-08-04 | 2013-06-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) | Radiometer for measurement of depth temperatures of objects (radio thermometer) |
RU2619841C1 (en) * | 2016-03-17 | 2017-05-18 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) | Zero radiometer |
-
2021
- 2021-02-17 RU RU2021103876A patent/RU2763694C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2211952B (en) * | 1987-11-05 | 1991-11-13 | Secr Defence | Radiometers |
EP1739867B1 (en) * | 2005-07-01 | 2007-08-29 | Research In Motion Limited | Determination of antenna noise temperature for handheld wireless devices |
RU2431856C1 (en) * | 2010-06-01 | 2011-10-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) | Radiometre to analyse objects adjoining antenna |
RU2485462C2 (en) * | 2011-08-04 | 2013-06-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) | Radiometer for measurement of depth temperatures of objects (radio thermometer) |
RU2619841C1 (en) * | 2016-03-17 | 2017-05-18 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) | Zero radiometer |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
TWI441489B (en) | Apparatus comprising a recursive delayer and method for measuring a phase noise | |
Lee et al. | Multi-mode 60-GHz radar transmitter SoC in 45-nm SOI CMOS | |
Filatov et al. | A microwave four-channel null L-band radiometer | |
RU2619841C1 (en) | Zero radiometer | |
RU2763694C1 (en) | Radiothermometer | |
Henrie et al. | Cancellation of passive intermodulation distortion in microwave networks | |
Roessler et al. | A plasma-switch impedance tuner with microsecond reconfiguration | |
Mandal et al. | An electronically tunable delay line with continuous control of slope and peak delay | |
RU2675670C1 (en) | Radiometric measurement of coefficient of reflection in broadband frequency | |
RU2439594C1 (en) | Zero radiometer | |
Ruman et al. | A new approach to construction of extended kit for M-Sequence UWB sensor system based on LTCC | |
RU2460081C2 (en) | Multichannel null radiometer | |
Rodriguez-Morales et al. | T/R Switches and Modules for Ice Sounding/lmaging Radar. | |
Abdulrazigh et al. | Analysis of measurement instrumentation delay in modular experimental radar at C band | |
Birkenhauer et al. | A compact 77 ghz iq-modulated transponder for high gain and high dynamic range radar target simulation | |
JPH02223879A (en) | Testing device for pn modulation type radar | |
McDaniel et al. | Integration and miniaturization of a Ka-band stepped frequency radar for un-manned aerial vehicle applications | |
Zou et al. | Parametrically enhanced delay line with monolithically integrated time-varying transmission lines (TVTL) | |
RU2776424C1 (en) | Interference-proof transmission system with automatic matching device using a wideband signal | |
Yu et al. | A K-band low conversion loss single balanced mixer with GaAs Schottky barrier diode | |
RU2822377C1 (en) | Ultra-wide instantaneous reception band | |
RU2745796C1 (en) | Fast zero radiometer | |
Malyutin et al. | Synthesis of Group Delay Time Correctors on the Basis of Two Types Directional Couplers | |
SU1626210A1 (en) | Modulation radiometer | |
Wehrli et al. | Integrated active pulsed reflector for FMCW radar localization |