Индикатор поля - частотомер излучений радиодиапазона сверхвысоких частот
Владельцы патента RU 2308040:
Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого (RU)
Предложенное изобретение относится к области радиотехники и предназначено для оперативного в реальном масштабе времени обнаружения факта наличия излучения СВЧ-диапазона радиоволн, а также качественной и количественной оценки частоты излучения. Целью изобретения является обеспечение обнаружения наличия высокочастотного радиосигнала не только непрерывных, но и импульсных сигналов, а также создание условий для оперативной качественной и количественной оценки относительного уровня сигнала и одновременно измерение его несущей частоты. Предложенный индикатор поля - частотомер излучений радиодиапазона сверхвысоких частот содержит отрезок коаксиального кабеля, согласованный на входе и выходе, два диода Шотки и индикатор-указатель частоты сигнала. При этом выходы диодов Шотки, однополярно подключенных к выходу и входу отрезка кабеля, соединены со входами усилителей постоянного тока, выходы которых нагружены на светоизлучающие индикаторы - светодиоды, и дополнительно ко входу индикатора-указателя частоты сигнала подключен выход цифрового измерителя отношения напряжений, входы которого подключены к выходам двух аналого-цифровых преобразователей напряжения, соединенных между собой каналом синхронизации, входы которых соединены с выходами детекторов на диодах Шотки. 2 ил.
Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и предназначено для оперативного в реальном масштабе времени обнаружения факта наличия излучения СВЧ-диапазона радиоволн, а также качественной и количественной оценки частоты излучения.
Известно устройство [1], обладающее высокой чувствительностью по обнаружению радиоизлучения СВЧ малой мощности, отмечающееся малыми размерами, потребляемой мощностью и простотой устройства (RU №2226741).
Основным недостатком указанного устройства является отсутствие возможности измерения частоты обнаруженного сигнала.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к заявляемому изобретению является индикатор поля - частотомер СВЧ-диапазона (RU №2272300) [2], позволяющий оперативно оценивать среднее значение несущей частоты спектра излучения СВЧ.
Выбранный прототип [2] предназначен для измерения частоты непрерывных сигналов и практически малоэффективен при работе с короткими импульсными сигналами. Наличие коммутатора, устройства управления требует синхронизации их функционирования с приходящими импульсами. В случае, когда длительность импульсов мала, а скважность их повторения велика, погрешность измерения частоты резко возрастает.
Кроме того, в прототипе [2] факт наличия излучения фиксируется по данным анализирующего устройства и индикатора, дающих оценку частоты сигнала, а не сам факт излучения. При малом уровне входного сигнала элементы анализирующего устройства и индикатора могут не срабатывать вовсе, что является его существенным недостатком.
Требуемый технический результат изобретения заключается в разработке устройства, которое решало одновременно обе задачи - обнаружение факта излучения и оценку несущей частоты в более простой и доступной форме, чем изобретение по патенту №2272300.
В связи с изложенным выше целью изобретения является обеспечение обнаружения наличия высокочастотного радиосигнала не только непрерывных, но импульсных сигналов, а также создание условий для оперативной качественной и количественной оценки относительного уровня сигнала и одновременно измерение его несущей частоты.
Эту цель можно достичь путем непрерывного измерения мощности сигнала на входе и выходе согласованного отрезка коаксиального кабеля фиксированной длины с последующими индикацией уровней этих мощностей светодиодами для качественной оценки частоты и цифровым способом измерения их отношения. В свою очередь, зная фактическую длину и погонное затухание кабеля выбранной марки, можно по относительной величине затухания однозначно оценить частоту сигнала - непрерывного или импульсного, узкополосного или широкополосного.
Требуемый технический результат достигается тем, что в устройство, состоящее из отрезка коаксиального кабеля, согласованного на входе и выходе, двух диодов Шотки, однополярно подключенных к выходу и входу отрезка кабеля, дополнительно введены цифровой вычислитель отношения мощностей анализируемого сигнала на входе и выходе отрезка коаксиального кабеля, аналого-цифровые преобразователи напряжения в число (цифровые вольтметры), усилители постоянного тока, светоизлучающие индикаторы (светодиоды), при этом выходы диодов Шотки соединены со входами усилителей постоянного тока, выходы которых нагружены на светоизлучающие индикаторы, а ко входу индикатора подключен выход цифрового измерителя отношения напряжений, входы которого подключены к выходам двух аналого-цифровых преобразователей напряжения, входы которых соединены с выходами детекторов на диодах Шотки, работающих синхронно друг с другом.
Заявляемое техническое решение отличается от прототипа [2] наличием новых блоков: цифрового вычислителя отношения мощностей анализируемого сигнала на входе и выходе отрезка коаксиального кабеля, двух аналого-цифровых преобразователей напряжения в число (цифровых вольтметров), двух усилителей постоянного тока, светоизлучающего индикатора (линейки светодиодов) и их связями с остальными элементами схемы. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «новизна».
Требуемый результат достигается всей вновь введенной совокупностью существенных признаков, которые в известной патентной и научной литературе не обнаружены на дату подачи заявки. Следовательно, техническое решение соответствует «изобретательскому уровню».
На фиг.1 представлена структурная схема индикатора поля - частотомера излучений радиодиапазона сверхвысоких частот.
Индикатор поля - частотомер излучений радиодиапазона сверхвысоких частот содержит отрезок коаксиального кабеля фиксированной длины и с известной зависимостью погонного затухания от частоты сигнала 1, детекторные диоды Шотки 2, 3, индикаторное устройство - указатель частоты сигнала 4, усилители постоянного тока 5, 6, светоизлучающие индикаторы (светодиоды) 7, 8, аналого-цифровые преобразователи напряжения в число (цифровые вольтметры) 9, 10, соединенные между собой каналом синхронизации 12, цифровой вычислитель отношения мощностей анализируемого сигнала на входе и выходе отрезка коаксиального кабеля 11.
Элементы структурной схемы на фиг.1 соединены следующим образом. Согласованный по входу и выходу отрезок коаксиального кабеля 1 на входе и выходе имеет идентичные каналы измерения уровня сигнала до и после прохождения им отрезка, состоящего из детекторного диода Шотки 2 (3), усилителя постоянного тока 5 (6) и светоизлучающего индикатора 7 (8). Оба канала идентичны за счет использования диодов Шотки, подобранных парами еще на этапе разбраковки их в производстве, например 3А111АР и 3А111БР, светоизлучающих индикаторов на основе арсенида галлия и усилителей постоянного тока, охваченных глубокой отрицательной обратной связью. Количественная оценка относительного затухания осуществляется за счет аналого-цифрового преобразования выходного напряжения диодов 2 и 3, с помощью устройств 9 и 10, соединенных между собой каналом синхронизации 12. Выходы преобразователей 9 и 10 подключены ко входам цифрового измерителя отношения напряжений 11, выход которого подключен ко входу цифрового индикатора частоты 4.
Индикатор поля - частотомер излучений радиодиапазона сверхвысоких частот работает следующим образом.
Принцип обнаружения факта наличия излучения заключается в измерении уровня сигнала на входе отрезка 1 с помощью детекторного диода на основе арсенида галлия с эффектом Шотки 2. Основное достоинство диодов этого типа - эффективная работа уже при малом уровне сигнала - 10-15 мВ, когда как германиевые диоды требуют напряжения 100-150 мВ, а кремниевые - 550-600 мВ. Индикация факта обнаружения излучения осуществляется с помощью светоизлучающего индикаторов 7, подключенного к выходу усилителя постоянного тока 5. Современные светодиоды со сверхизлучением начинают свечение при напряжении 1,5 В и токе 10-20 мкА, например L-813SRC-B.
Принцип оценки частоты сигнала основан на однозначной степенной зависимости затухания в отрезке согласованного кабеля от его длины и частоты сигнала:
где Pвх - мощность сигнала на входе, мВт;
Рвых - мощность сигнала на выходе, мВт;
l - длина отрезка кабеля, м;
α - погонный коэффициент затухания мощности сигнала на данной частоте, Нп/м.
Обычно на практике относительные затухания в кабеле оцениваются в децибелах, тогда формула (2) преобразуется к виду:
где d - погонное затухание в кабеле, дБ/м;
l - длина кабеля, м.
Каналы измерения uвх и Uвых - идентичны друг другу.
На фиг.2 приведена частотная зависимость погонного затухания d для двух типов коаксиальных кабелей с внутренней фторопластовой изоляцией [3, 4]. Как видно из фиг.2, на частотах ниже диапазона СВЧ (до 300 МГц) погонное затухание очень мало, исчисляется сотыми и десятыми долями дБ/м, но на частотах выше 1-3 ГГц резко возрастает и составляет единицы дБ/м.
Согласно практике измерение мощности СВЧ, собственные погрешности измерения обычно составляют не менее 1-2 дБ, поэтому диапазон изменения затухания в полосе ожидаемых частот должен быть значительно шире, не менее 20 дБ.
Качественная оценка относительного затухания сигнала, а тем самым оценка его частоты, оперативно осуществляются по дискретности и сравнительной яркости свечения индикаторов 7 и 8. Если оба индикатора светятся одинаково ярко, то это свидетельствует об отсутствии или совсем малом затухании сигнала в отрезке кабеля, что бывает при очень низкой частоте сигнала. И наоборот, когда индикатор 7 светит ярко, а 8 - едва заметно или не светится вовсе, то тогда можно сделать вывод о наличии сигнала очень высокой частоты.
Количественная оценка затухания осуществляется путем вычисления в каскаде 11 отношения выходных напряжений диодов 2 и 3 с помощью аналого-цифровых преобразователей (милливольтметров) 9 и 10, действующих синхронно. Результат вычисления на выходе 11 передается в индикатор частоты 4, в котором учитывается длина отрезка кабеля, его частотная зависимость, погонное затухание и погрешность измерения.
Современные цифровые измерители напряжения постоянного тока имеют разрешение до 100 мкВ на одно цифровое деление, но линейный режим работы детекторных диодов Шотки на арсениде галлия начинается при выходном напряжении более 10 мВ.
Таким образом, предложенный индикатор поля - частотомер излучений радиодиапазона сверхвысоких частот в сравнении с прототипом позволяет помимо измерения частоты сигналов СВЧ-диапазона проводить качественную и количественную оценки относительного уровня радиосигнала в более простой и доступной форме.
ИСТОЧНИКИ, ПРИНЯТЫЕ ВО ВНИМАНИЕ
1. Николаев А.В., Омельченко Б.В., Асеев А.О. Преобразователь тока в напряжение. Патент РФ №2226741.
2. Омельченко Б.В., Николаев А.В., Васильев В.А., Аксенов С.С. Индикатор поля - частотомер СВЧ-диапазона. Патент РФ на изобретение №2272300.
3. Изюмов Т.И., Свиридов В.Т. Волноводы, коаксиальные и полосковые линии. - М.: Энергия, 1975, с.51, 52.
4. Справочник "Полупроводниковые приборы: диоды высокочастотные, диоды импульсные, оптоэлектронные приборы". - М.: Радио и связь, 1988, с.240-255.
Индикатор поля - частотомер излучений радиодиапазона сверхвысоких частот, состоящий из отрезка коаксиального кабеля, согласованного на входе и выходе, двух диодов Шотки, однополярно подключенных к выходу и входу отрезка кабеля, отличающийся тем, что выходы диодов Шотки соединены со входами усилителей постоянного тока, выходы которых нагружены на светоизлучающие индикаторы (светодиоды) и дополнительно ко входу индикатора-указателя частоты сигнала подключен выход цифрового измерителя отношения напряжений, входы которого подключены к выходам двух аналого-цифровых преобразователей напряжения, соединенных между собой каналом синхронизации и входы которых соединены с выходами детекторов на диодах Шотки.
