UA68120A - Modulation heterodyne radiometer - Google Patents

Description

Опис винаходу

Винахід відноситься до пасивної радіолокації а саме до техніки виміру потужності слабких шумових 2 сигналів у діапазоні надвисоких частот (НВЧ), і може бути використаний в радіоастрономії, радіометеорології, радіогеодезії і медицині.

Відомі радіометри модуляційного типу (див. Есепкина Н.А., Корольков Д.В., Парийский Ю.Н. Радиотелескопь! и радиометрьі. М: Наука, 1979, С. 258) які містять, як правило, два вхідних канали - канал антени і канал опорного сигналу, які через два НВЧУ - ключі, що працюють у протифазі, підключені до одного приймача. 70 У приймачі радіометру сигнал антени і сигнал опорного каналу по черзі підсилюються одним НВЧ підсилювачем з великим коефіцієнтом підсилення, щоб забезпечити квадратичне детектування модульованого сигналу. Однак у діапазоні вкрай високих частот (30-300 Ггц) важко виконати приймач прямого підсилення з великим коефіцієнтом підсиленням, особливо на транзисторах. Тому використовують приймачі радіометрів з гетеродинним перетворенням частоти, у яких почергово посилення сигналів здійснюється на відносно низькій 12 проміжній частоті (див. Скрипник Ю.О., Манойлов В.П., Яненко О.П., Модуляційні радіометричні пристрої та системи НВЧ - діапазону - Житомир: ЖІТІ, 2001, С.173).

Для виключення впливу власних шумів вхідної антени в опорному каналі використовують еталонне навантаження, шумова характеристика якого еквівалентна аналогічній характеристиці антени. У цьому випадку сигнал від антени на виході квадратичного детектора приймача віднімається із сигналу від еталонного навантаження і підсилювач частоти модуляції підсилює тільки прийнятий антеною зовнішній шумовий сигнал.

Однак на частотах понад 50-60Ггц через вплив розподілених ємностей і індуктивностей важко виконати еталонне резистивне навантаження, еквівалентне антені. Крім того, через неідентичність коефіцієнтів передачі і відбиття двох НВЧ - ключів і паразитного зв'язку між каналами виникає велика похибка виміру потужності прийнятого сигналу. 29 Відомий модуляційний гетеродинний радіометр (див. Авт. свид. СРСР Мо1553924, МПК 501кК29/08, 1984, « бюл. Мо12, 1990), що містить з'єднані послідовно антену, комутатор, змішувач, підсилювач проміжної частоти, квадратичний детектор, підсилювач низької частоти, синхронний детектор і інтегратор, при цьому до другого входу комутатора підключений генератор шуму через атенюатор, керуючий вхід якого з'єднаний з виходом інтегратора, і гетеродин, вихід якого підключений до другого входу змішувача, а генератор низької частоти о 30 з'єднаний з керуючими входами комутатора і синхронного детектора. Га

Роль еталонного навантаження виконує атенюатор, що живиться генератором шуму, рівень якого встановлюють відповідно рівню шумів приймальної антени. Однак необхідність у комутаторі, що складається з -- двох НВЧ - ключів, не дозволяє виключити похибку від паразитного міжканального зв'язку і неідентичності с параметрів двох ключів. 325 Відомий також модуляційний гетеродинний радіометр (див. Патент України Мо26122, МПК 501кК29/08,1998, о

Бюл. Мо5, 2000), що містить НВЧ - антену, НВЧ - ключ, підключений до виходу антени, послідовно з'єднані НВЧ - змішувач, підсилювач проміжної частоти, квадратичний детектор, перший фільтр нижніх частот, вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор, другий фільтр нижніх частот і реєстратор, генератор низької « частоти, з'єднаний виходом з керуючими входами НВЧ - ключа і синхронного детектора, НВЧ - гетеродин, З 40 дільник НВЧ - потужності, спрямований відгалужувач і атенюатор. с Крім того, він містить другі комутатор, синхронний детектор, підсилювач низької частоти, два інтегратори, з» два генератори НВЧ - шуму, електричне керовані атенюатори, двоканальний аналого-дифровий перетворювач, мікро-ЕОМ із дисплеєм і цифро-аналоговий перетворювач. При цьому входи двоканального аналого-дифрового перетворювача підключені до виходів першого і другого інтеграторів, а виходи підключені до входу мікро-ЕОМ, 45 перший вихід якої через цифро-аналоговий перетворювач з'єднаний з керуючим входом атенюатора, другий б підключений до дисплея.

Ге | Наявність у схемі модуляційного радіометру генератора НВЧ - шуму, сигнал від якого періодично надходить на вхід приймача, дозволяє компенсувати власні шуми НВЧ - антени і вхідного хвилеводу, однак неминуча - нерівномірність спектральної потужності шумового сигналу генератора НВЧ - шуму викликає похибку виміру ка 20 потужності прийнятого НВЧ - сигналу при перебудові частоти НВЧ - гетеродина. Це зв'язано з тим, що в смугу пропущення підсилювача проміжної частоти при зміні частоти НВЧ - гетеродина попадає вже інший с компенсуючий сигнал від сусідньої ділянки спектральної характеристики генератора НВЧ - шуму, не еквівалентний потужності власного шуму антени. Крім того, у відомому радіометрі використаний комутатор із двох НВЧ - ключів, що викликає неминучі похибки від неідентичності параметрів ключів і паразитних зв'язків між ними. в. В основу винаходу покладена задача створення такого модуляційного гетеродинного радіометру, в якому введенням нових елементів і зв'язків забезпечувалось би підвищення точності і чутливості вимірів слабких шумових сигналів у широкому діапазоні частот.

Поставлена задача вирішується тим, що в модуляційний гетеродинний радіометр, що містить НВЧ - антену, 60 нвчЧ- ключ, підключений до виходу антени, послідовно з'єднані НВЧ - змішувач, підсилювач проміжної частоти, квадратичний детектор, перший фільтр нижніх частот, вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор, другий фільтр нижніх частот і реєстратор, генератор низької частоти, з'єднаний виходом з керуючими входами НВЧ - ключа і синхронного детектора, НВЧ - гетеродин, дільник НВЧ - потужності, спрямований відгалужувач і атенюатор, згідно з винаходом, в нього введені керований підсилювач проміжної частоти, бо диференціальний підсилювач, джерело стабілізованої постійної напруги, НВЧ - балансовий модулятор і вентиль,

який виходом підключений до входу НВЧ -змішувача, другий вхід якого підключений до виходу НВЧ - гетеродина через одне плече дільника НВЧ - потужності, друге плече якого з'єднано із сигнальним входом НВЧ - балансового модулятора, модулюючий вхід якого підключений до виходу підсилювача проміжної частоти через атенюатор і керований підсилювач проміжної частоти, керуючий вхід якого з'єднаний з виходом диференціального підсилювача, один вхід якого з'єднаний з виходом джерела стабілізованої постійної напруги, другий вхід підключений до виходу першого фільтра нижніх частот, а вихід НВЧ - балансового модулятора з'єднаний із відсалужуючим плечем спрямованого відгалужувача, включеного між НВЧ - ключем і входом вентиля. 70 Введення в схему модуляційного гетеродинного радіометру керованого підсилювача проміжної частоти, диференціального підсилювача, джерела стабілізованої постійної напруги, НВЧ - балансового модулятора і вентиля, включених зазначеним образом, забезпечує формування компенсуючого шумового сигналу безпосередньо з НВЧУ - сигналу і гетеродина, що перебудовується по частоті, шляхом балансової модуляції його шумовим сигналом проміжної частоти і подачі модульованого сигналу на вихід НВЧ - ключа антени через /5 спрямований відгалужувач. Введений у приймач додатковий модульований сигнал змішується з НВЧ - сигналом гетеродину й в результаті утворюється компенсуючий сигнал проміжної частоти, діючий у моменти відключення антени від входу приймача. У результаті вплив власних шумів антени на приймач врівноважується дією додаткового модульованого сигналу, який формується на виході НВЧ - балансового модулятора і вводиться в тракт приймача спрямованим відгалужувачем коли НВЧ - ключ закритий. Це забезпечує підвищення точності і чутливості вимірів вхідних сигналів за рахунок виключення впливу власних шумів антени і вхідних елементів прийомного тракту на значення прийнятого сигналу незалежно від частоти гетеродина.

На кресленні представлена функціональна схема модуляційного гетеродинного радіометру.

Радіометр містить НВЧ - антену 1 до якої підключені послідовно з'єднані НВЧ - ключ 2, спрямований відгалужувач 3, вентиль 4, НВЧ змішувач 5, підсилювач 6 проміжної частоти, квадратичний детектор 7, перший ов фільтр 8 нижніх частот, вибірковий підсилювач 9 низької частоти, синхронний детектор 10, другий фільтр 11 нижніх частот і реєстратор 12. Генератор 13 низької частоти з'єднаний з керуючими входами НВЧУ - ключа 2 і « синхронного детектору 10, НВЧ - гетеродин 14 через дільник НВЧ - потужності 15 з'єднаний із другим входом

НВЧ - змішувача 5 і сигнальним входом НВЧ - балансового модулятора 16, модулюючий вхід якого через атенюатор 17 і регульований підсилювач 18 проміжної частоти з'єднаний з виходом підсилювача 6 проміжної о зо частоти. До керуючого входу регульованого підсилювача 18 проміжної частоти підключений вихід диференціального підсилювача 19, один вхід якого з'єднаний з виходом джерела 20 стабілізованої постійної с напруги, а інший вхід з'єднаний з виходом першого фільтра 8 нижніх частот. «-

Модуляційний гетеродинний радіометр працює таким чином.

Шумовий сигнал, прийнятий НВЧ - антеною 1, через відкритий НВЧ - ключ 2, спрямований відгалужувач З і со зв Вентиль 4 надходить на НВЧ - змішувач 5, на другий вхід якого безупинно надходить монохроматичний «о (гармонійний) сигнал гетеродина 14 через дільник потужності 15. У результаті змішування гармонійного сигналу частоти фр і шумового сигналу із суцільним спектром «єї утворяться сигнали різницевої (проміжної) частоти шроту о У смугу пропущення юр підсилювача б проміжної (різницевої) частоти попадають перетворені по « дю частоті складові прийнятого шумового сигналу, що зміщені щодо частоти гетеродина др на значення проміжної з с частоти шр нагору і вниз по осі частот; 2» бар от ар ор Ж Ар, 0)

А р-р ЖАвр. (22)

У результаті змішування складових спектра (1) із сигналом гетеродина утворяться низькочастотні сигнали

Ме різницевої частоти, що підсилювачем б проміжної частоти виділяються у вигляді вузькосмугового шумового - сигналу. Дисперсія шумового сигналу буде визначатись подвоєним значенням квадратів складових спектра смуг юю 50 А і Ат: (42) Мор (2) о - Кк, В, Її" (ері сс

Р» де К.у - коефіцієнт підсилення підсилювача проміжної частоти по потужності;

З. - крутість перетворення НВЧ - змішувача; 2 - потужність спектральних складових прийнятого антеною сигналу; бо тя - потужність сигналу гетеродина.

Крім корисного сигналу (2) на виході підсилювача 6 проміжної частоти буде присутній вузькосмуговий шум, як результат частотного перетворення власного НВЧ - шуму змішувача із сигналом гетеродина плюс власні шуми підсилювача. Буде також присутній паразитний сигнал від шумів антени і вхідних елементів прийомного 65 тракту. Додатково на вхід прийомного тракту надходить модульований НВЧ - сигнал через спрямований відгалужувач 3. Останній формується з гармонійного сигналу гетеродину 14, що через дільник НВЧ - потужності

15 надходить на НВЧ - балансовий модулятор 16, де модулюється вузькосмуговим шумовим сигналом проміжної частоти шр Зі смугою йшов. Для цього використовується шумовий сигнал підсилювача б проміжної частоти, стабілізований регульованим підсилювачем 16 проміжної частоти й ослаблений до необхідного рівня атенюатором 17. У результаті балансової модуляції утвориться двосмуговий НВУ - сигнал з частотним спектром, аналогічним (1). Однак при зазначеній спрямованості відгалужувача З і відкритому НВЧ - ключі 2 додатковий сигнал у радіометр не попадає, а надходить в антену і розсіюється в навколишнім просторі. Тому в радіометр надходить корисний прийнятий сигнал, шумовий сигнал антени і сигнал, обумовлений власними шумами приймача радіометра. Зазначені складові результуючого шумового сигналу між собою не корельовані, тому його 70 дисперсія буде дорівнювати сумі дисперсій зазначених складових.

З урахуванням цих складових вузькосмуговий шумовий сигнал, що надходить на вхід квадратичного детектора 7, буде мати вид: йо (3) п: 2 2 2 2 02-28, 82 Де (р) (в) Ша (рн? Чез де 5» - чутливість квадратичного детектора; це (во; 37 потужність спектральних складових власних шумів радіометра; , , и, ,

Ше (су )7 потужність спектральних складових шумів антени і вхідних елементів НВУ - тракту.

У результаті квадратичного детектування на виході фільтру 8 нижніх частот формується відеоїмпульс з амплітудою тріпгате ) 4

Ше - за Ві 802 -Ої Ов) Я « де К» - коефіцієнт передачі фільтра нижніх частот 8; їй ; ш ; Ге - потужності корисного сигналу, шумів радіометра і шумів антени в смузі прийому гетеродинного о радіометра. сч

У модуляційному радіометрі НВЧУ - ключ 2 керується напругою генератора 13 низької частоти, що обумовлює періодичне відкривання і закривання ключа. У напівперіод комутації ключа, коли ключ З закритий, сигнал антени - 1 відбивається від закритого ключа і на приймач радіометра не надходить. У той же час модульований сигнал, о що вводиться в прийомний тракт спрямованим відгалужувачем 3, відбивається від закритого ключа і надходить на НВЧ - змішувач 5. Після гетеродинного перетворення підсилювачем б проміжної частоти виділяється ікс, додатковий вузькосмуговий шумовий сигнал, аналогічний (2). На вхід квадратичного детектора 7 тепер буде впливати сигнал із сумарною дисперсією; йо (5)

ЦЕ - Кк. 8585 І (сор ян ее (ех зе Чез в) . "» ! де 5 - ослаблення, внесене атенюатором 17 по потужності; ше (вх) потужність спектральних складових додаткового сигналу, що попадає в приймач радіометра.

Ге»! Відповідно до цього напівперіоду комутації амплітуда відеоїмпульсу на виході фільтра 8 нижніх частот (ее) 2 п цк - ак; 818502 зе 02) -

ГІ 20 При періодичній роботі НВЧ - ключа 2 вибірковим підсилювачем 9 низької частоти буде виділятися і підсилюватися напруга огинаючої відеоімпульсів (4) і (6). Якщо низька частота переключень НВЧ - ключа 2, то ме, низькочастотну напругу, посилену вибірковим підсилювачем 9, можна представити як

Це - Ов (7

Ов - Ка - - - - со5|с314- В) А ЩІ зв вкла В сов(іпінв)нАЦі) де - Кз - коефіцієнт підсилення вибіркового підсилювача;

Ф - фаза огинаючої відеоімпульсів; ли К)- напруга низькочастотних шумів, що попадають у смугу пропущення вибіркового підсилювача. 6о Підсилена напруга (7) випрямляється синхронним детектором 10, що керується безпосередньо напругою генератора 13 низької частоти, і згладжується фільтром 11 нижніх частот. При досить великий постійний часі фільтра нижніх частот шуми лий) шляхом усереднення придушуються, а постійна напруга що реєструється з урахуванням виразів (4) і (6)

Шу - Ко Как. 88502 0 опа А т 2КК: Ка Ка 8 53 У вах г де К. - коефіцієнт передачі фільтра 11 нижніх частот.

Для повного виключення впливу шумів антени і фону радіовипромінювання на покази радіометру проводять операцію калібрування. НВЧ антену 1 направляють не на досліджуваний об'єкт, а на нейтральне фон, на якому можна вважати, що корисний сигнал відсутній (У, - 0), тоді зміною послаблення ж атенюатора 17 домагаються нульового показання реєстратора 12. Дорівнюючи вираз (8) нулю, одержуємо умову компенсації 2 (5) по 8ВЗ- - 0;

При перебудові частоти гетеродина 14 умова (9) не порушується, тому що компенсуючий сигнал ;, формується безпосередньо із сигналу того ж гетеродина і шумів проміжної частоти (в - сопзі | - Для 75 стабілізації рівня шумів у смузі йшрвр напруга з виходу підсилювача б проміжної частоти стабілізуються підсилювачем 18 з автоматичним регулюванням підсилення. Для цього постійна складова напруги з виходу фільтра 8 нижніх частот порівнюється з опорною стабілізованою постійною напругою джерела 20. Різницева напруга, формована диференціальним підсилювачем 19, змінює коефіцієнт підсилення додаткового підсилювача 18 проміжної частоти. У результаті автоматичного регулювання коефіцієнта підсилення сигнал проміжної частоти на вході атенюатора 17 залишається практично постійним при змінах рівня потужності вихідного сигналу основного підсилювача 6 проміжної частоти.

Після проведення калібрування радіометра антену 1 направляють на досліджуваний об'єкт і реєструють прийняте випромінювання незалежно від рівня власних шумів антени і самого радіометру. У результаті цього підвищується точність і чутливість вимірів слабких шумових сигналів у широкому частотному діапазоні, 29 включаючи вкрай високі частоти. «

Приклад.

Розроблено модуляційний гетеродинний радіометр за запропонованою схемою для медико-біологічних досліджень. Радіометр включає рупорну антену і вхідний хвилеводний тракт на діапазон частот 53-78ГГцЦ (перетин хвилеводу 3,6бх1,8мм). НВЧ - змішувач і балансовий модулятор, виконаний за балансовою схемою на о двох діодах з бар'єром Шотткі, яка забезпечує глибоку розв'язку сигнального і модулюючих входів (не менш Ге 25ДБ) і придушення шумів гетеродина. Потужність гетеродина обрана в межах 12-25мВт.

Підсилювач проміжної частоти виконаний на частоту 200МГц зі смугою пропущення 5ОМГЦц і коефіцієнтом -- підсилення «80дБ. Квадратичний детектор зроблений на тунельному діоді типу ГИ4ОТА с використанням с зворотної ділянки вольтамперної характеристики і має чутливість по входу 5-1ОмкВт. У якості НВЧ-ключа

Зо використаний стандартний хвилеводний модулятор типу НЗ47, виконаний на варакторних діодах (р-і-п - діодах). о

Завдяки компенсації впливу власних шумів антени і вхідних хвилеводних елементів сигналом НВЧ - гетеродина, промодульованим шумовою напругою проміжної частоти, зареєстровано власне електромагнітне випромінювання людини. Інтенсивність електромагнітного випромінювання в діапазоні міліметрових хвиль з « біологічно активних зон (БАЗ) виявилася в межах 10 720-102 1Вт/(Гц'см?), а її конкретні значення З с то використовувалися для діагностики стану здоров'я.

Claims (1)

1. . -» Формула винаходу 45 Модуляційний гетеродинний радіометр, що містить НВЧ - антену, НВЧ - ключ, підключений до виходу НВЧ - б антени, послідовно з'єднані НВЧ - змішувач, підсилювач проміжної частоти, квадратичний детектор, перший (оо) фільтр нижніх частот, вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор, другий фільтр нижніх частот -3з і реєстратор, генератор низької частоти, з'єднаний виходом з керуючими входами НВЧ - ключа і синхронного детектора, НВЧ - гетеродин, подільник НВЧ - потужності, спрямований відгалужувач і атенюатор, ко 20 який відрізняється тим, що в нього введені керований підсилювач проміжної частоти, диференціальний підсилювач, джерело стабілізованої постійної напруги, НВЧ - балансовий модулятор і вентиль, який виходом с підключений до входу НВЧ - змішувача, другий вхід якого підключений до виходу НВЧ - гетеродина через одне плече подільника НВЧ - потужності, друге плече якого з'єднано із сигнальним входом НВЧ - балансового модулятора, модулюючий вхід якого підключений до виходу підсилювача проміжної частоти через атенюатор і керований підсилювач проміжної частоти, керуючий вхід якого з'єднаний з виходом диференціального в. підсилювача, один вхід якого з'єднаний з виходом джерела стабілізованої постійної напруги, другий вхід підключений до виходу першого фільтра нижніх частот, а вихід НВЧ - балансового модулятора з'єднаний із відгалужуючим плечем спрямованого відгалужувача, включеного між НВЧ - ключем і входом вентиля. 60 б5